Spektrum der Wissenschaft Dezember 2004 issue 12

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DEZEMBER 2004 · € 6,90 (D/A)

DEUTSCHE AUSGABE DES

> Hilfe bei Schizophrenie? > Gasscheiben im All > Genie des Orients: Alhazen > Verkanntes Karthago

r NOBE L P R EISE 2 0 0 4

www.spektrum.de MEDIZIN

Die Verheißung von Stammzellen

D6179E 13,50 sFr / Luxemburg 8,– €

Im Schatten ethischer Kontroversen ringen Forscher um den besten Weg zur Therapie

EDITORIAL

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Reinhard Breuer Chefredakteur

Ethische Medikamente und ethische Medizin

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alaria ist mit 300 Millionen jährlichen Neuerkrankungen die häufigste Tropenkrankheit, an der laut Weltgesundheitsorganisation WHO pro Jahr rund eine Million Menschen sterben. Andere Erhebungen halten eher drei Millionen Malariatote für wahrscheinlich – allein in Afrika. Trotz zunächst erfolgreicher Bekämpfungsprogramme ist diese Krankheit weltweit wieder auf dem Vormarsch – auch bei uns. So gab es in Deutschland im Jahr 2001 über tausend Malariafälle mit acht Toten. Mit zu der Misere trägt bei, dass einerseits in den letzten 15 Jahren Malariaparasiten resistent gegen das einst bewährte Mittel Chloroquin wurden, andererseits in vielen Ländern neue, aber teure Medikamente, die solche Resistenzen umgehen, nicht bezahlt werden können. Die WHO empfiehlt daher bestimmte Kombipräparate, so genannte ACTs (artemisinin combination therapies), gegen Malaria, Aids und Tuberkulose. Das Problem: ACTs sind mit 1 bis 2,5 Dollar pro Dosis zwanzigmal so teuer wie Chloroquin. Daher wird das alte Mittel noch in Gegenden verwendet, wo es bekanntermaßen nutzlos ist. Der Heidelberger Malariaforscher Heiner Schirmer schildert, wie die Industrieländer und Pharmafirmen mit diesen Problem umgehen und umgehen sollten (S. 110). Seine beklagten »Defizite der Verteilungsethik in der Wissenschaft« sind allen Beteiligten bewusst. Manche Firmen wären wohl durchaus bereit, solche Medikamente billiger oder gratis abzugeben, wenn diese nicht zum Teil über den Schwarzmarkt in die Herstellerländer zurückverkauft würden. Gleichwohl, konstatiert Schirmer hoffnungsvoll, stünden derzeit »ethische Präparate« und »ethische Medizin« vor einem Come-back. Stammzellen ohne Ende: Auch die Ethikdebatte um diese mutmaßlichen Heilsbringer läuft weiter, als hätte es das Stammzellgesetz von 2002 nicht gegeben. Der Diskurs über das Klonen zwecks Gewebezucht, also dem Foschungsklonen mit dem Ziel des therapeutischen Klonens, kulminierte kürzlich in dem Votum des Nationalen Ethikrats. Das hochrangig besetzte Gremium empfahl – außer der Ablehnung des reproduktiven Klonens – beim Forschungsklonen ein Moratorium. Einige prominente Ratsmitglieder plädierten für die Beibehaltung des Verbots, andere für die begrenzte Zulassung. Das ist kein kluger Rat, sondern eine Ohnmachtserklärung. Sollen deutsche Stammzellforscher nicht wieder international ins Hintertreffen geraten wie einst bei der Genetik und dem Humangenomprojekt, dann muss auch die Politik reagieren. Zweifellos ist der Kompromiss zwischen Ethik und Forschungsfreiheit hier besonders heikel. Aber es abermals »dem Ausland zu überlassen« und hinterher davon profitieren, kann keine verantwortliche Haltung sein (S. 34).

PS.: Nächste Woche kommt unser Spektrum Spezial »Forschung und Technik in der Renaissance« an die Kioske. Als Nachfolger unseres Spezials »Wissenschaft und Technik im Mittelalter« gehen wir diesmal der Zeit nach, welche die Aufklärung vorbereitete – ein Prozess, der auch heute noch nicht abgeschlossen ist. Umso wichtiger, meine ich, sich seiner Wurzeln gewärtig zu werden. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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ANZEIGE

D E Z E M B E R

2004

I N I HN HAA L TT

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ARCHÄOLOGIE

SPEKTROGRAMM 10

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SEITE 26

Karthago – antikes Reich des Bösen?

Evolution der Homosexualität · Molekularer Motor · Schleimschwimmen · Mausoleum von Dschingis Khan · Wespe mit selbst gebastelter Biowaffe u. a.

Hinterhältig seien die Punier gewesen und Kindermörder obendrein: So verbreitete es die römische Propaganda. Woher rührte der Hass auf Karthago?

Bild des Monats Sägeblatt-Gletscherzunge

FORSCHUNG AKTUELL r NOBELPREISE 2004 14

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Der grüne Punkt der Zelle Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung des zellulären Recyclingsystems

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Asymptotische Freiheit Physik-Nobelpreis für die Entwicklung der Theorie für die starke Kraft

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Riechen als Rechenexempel Medizin-Nobelpreis für die Aufklärung des Geruchssinns

SEITE 44

ASTROPHYSIK

Ein Universum voller Scheiben Neue Forschungen geben einen Einblick in die turbulente Dynamik von Akkretionsscheiben, die junge Sterne und Schwarze Löcher umkreisen

THEMEN r 26

Karthago Römische Propagandamaschine und Wirklichkeit

r 34

Stammzelltherapie Was Forscher noch zu klären haben

r 44

Wirbelnde Gasmassen im All Scheiben aus heißer Materie prägen die Entwicklung von Planetensystemen und Galaxien

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TITEL

Prähistorische Erdbeben Schuttkegel in der Schweiz zeugen von einstigen Erdstößen

r 62

Neue Wege gegen Schizophrenie Schuld an der Psychose sind andere Hirnstörungen als bisher angenommen

74

Giftiges Grundwasser in Bangladesch Ein Viertel der Bevölkerung des Landes ist durch Arsen im Boden bedroht

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Magnetantrieb mit Raumseilen Lange Metallkabel helfen Raumfahrern Treibstoff sparen

r 90

Alhazen – das Genie aus dem Orient 600 Jahre vor Galilei schuf der muslimische Gelehrte die Grundlagen der Optik

110 Essay: Ethisches Postulat Ein Forscher und Mediziner fordert Medikamente für die Armen

Titelbild: Ein geöffneter menschlicher Keim im 100-Zellen-Stadium: Viele Patienten hoffen auf Heilung durch embryonale Stammzellen. Yorgos Nikas / Wellcome Library MPL Die auf der Titelseite angekündigten Themen sind mit r gekennzeichnet

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SEITE 52

ERDBEBEN

Ein See als Seismograf In der Schweiz traten in den vergangenen 15000 Jahren mehrere verheerende seismische Erschütterungen auf. Das verraten Ablagerungen im Vierwaldstättersee

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SEITE 62

SCHIZOPHRENIE

Wenn Hirnsignale verrückt spielen Bei Schizophrenie entgleisen Kommunikationsnetzwerke des Gehirns. Die Hauptschuld daran könnte ein bisher vernachlässigter Signalstoff tragen

UMWELTMEDIZIN

SEITE 74

Die Arsen-Katastrophe von Bangladesh Weltweit drohen 50 Millionen Menschen Arsenvergiftungen durch Trinkwasser – die größte Massenvergiftung der Geschichte

DEZEMBER

2 0 0 4

REZENSIONEN 98

Service Roboter Visionen von Rolf Dieter Schraft, Martin Hägele, Kai Wegener Das ist Evolution von Ernst Mayr Die Spione im Unendlichen von Peter Pesic Blaues Gold von Maude Barlow und Tony Clarke Entschleunigung von Fritz Reheis

MATHEMATISCHE UNTERHALTUNGEN 106 Vom R4 zum R5 und darüber hinaus Reise in höhere Dimensionen (Teil II)

KOMMENTAR TITELTHEMA STAMMZELLEN

SEITE 34

20

Die große Verheißung

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RAUMFAHRT

Magnetantrieb für Raumfahrzeuge

WISSENSCHAFT IM … 42

Alltag: Wunder der Mechanik

73

Unternehmen: Der Teufel steckt im Detail

80

Rückblick: Geschlechtsbestimmung mit Strom · Schub für Krebsforschung u. a.

SEITE 82

WEITERE RUBRIKEN 5 Editorial · 8 Leserbriefe /Impressum · 104 Preisrätsel · 114 Vorschau

Einfache Metallseile k nnten Raumfahrzeuge mit billigem Strom versorgen. Dahinter stecken elementare Naturgesetze aus Mechanik und Elektrodynamik

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Nachgehakt Raumschiff Enterprise startklar, alles einsteigen!

SPEKTRUM-PLUS.DE ZUSATZANGEBOT NUR FÜR ABONNENTEN

SEITE 90

WISSENSCHAFTSGESCHICHTE

Alhazen: Physik am Rande des Irrsinns

Der muslimische Gelehrte legte im 10. Jahrhundert die Grundlagen f r Optik und Astrophysik

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ESSAY

Medikamente für die Armen

SEITE 110

Die Biomedizin des 21. Jahrhunderts darf nicht nur f r die Minderheit der Wohlhabenden forschen SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Q DEZEMBER 2004

Die Sternwarte La Specola Eintauchen in die Vergangenheit der italienischen Astronomie – Bologna ist eine Reise wert ZUGÄNGLICH ÜBER WWW.SPEKTRUM-PLUS.DE NACH ANMELDUNG MIT ANGABE DER KUNDENNUMMER

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Das Ende des Raumschiffs Erde Oktober 2004 Maximale Existenzdauer

Drei Punkte sind mir in dem sehr interessanten Artikel aufgefallen: 1. Gibt es auch unter den Bäumen Arten, die die C4Methode beherrschen? (Antwort der Redaktion: Nein) 2. Es wurden die erst vor wenigen Jahren entdeckten Bakterien in der Erdkruste, tief unter der Erdoberfläche, nicht erwähnt. Meines Erachtens haben diese gute Chancen, selbst das vollständige Verdampfen der Erdozeane noch um eine beträchtliche Zeit zu überleben. 3. Selbst bei optimistischer Schätzung heißt das für die Erde, dass nur noch für 100 bis maximal vielleicht 200 Millionen Jahre auch intelligentes Leben biologisch möglich erscheint. Das würde die maximale Existenzdauer desselben auf deutlich unter 5 Prozent der Lebensdauer des Sonne-Erde-Systems beschränken. Diese Abschätzung ist höchst relevant für die Frage nach intelligentem außerirdischem Leben und seiner Entdeckungswahrscheinlichkeit, auch wenn andere Sterne und Planeten möglicherweise etwas bessere Zeitskalen mitbringen (»späte« G-Typen leben länger, andere Kombinationen von Sternabstand und Planetenmasse könnten günstiger sein). Stefan Urbat, Stuttgart

BEIDE GRAFIKEN: SIGANIM / SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

LESERBRIEFE

LESERBRIEFE

o Die heutige grüne Landschaft könnte in einer Milliarde Jahren Sand und nacktem Gestein weichen.

te, hätte man, aber nur bei gleicher Zusammensetzung der Lufthülle, CO2 vielleicht unbedenklicher verblasen können, wobei es jedoch nie ratsam ist, in das empfindliche atmosphärische Geschehen einzugreifen. Veröffentlichte Klimaprognosen für die nahe Zukunft sollten daher die gemeinsame Entwicklung von Sonne, Biosphäre und Klima stärker einbeziehen. Als historischer Wissenschaftler sehe ich eine Parallele zur Geschichte: Die Gegenwart kann nicht losgelöst von der Vergangenheit verstanden werden. Erst die Beschäftigung mit der Erdgeschichte und -zukunft dürfte ein umfassenderes Verständnis unserer Epoche vermitteln, die ja nur ein Abschnitt im Fluss gewaltiger Zeiträume ist. Anton Vogel, München

Das Ganze im Blick haben

Bei dem bisherigen Anstieg der Sonnenhelligkeit dürften heute schon recht kleine zusätzliche Mengen des Treibhausgases in der Atmosphäre eine umso gefährlichere Wirkung haben. Vor 500 Millionen Jahren, als die Sonne etwas schwächer schien als heu8

Origami im All Spektrogramm, Oktober 2004

In diesem Beitrag sind Sie dem leider verbreiteten Irrtum aufgesessen, dass ein Sonnensegel durch den Sonnenwind – also durch die von der Son-

ne ausgehenden Korpuskel – angetrieben wird. Der Sonnenwind leistet jedoch einen um viele Größenordnungen kleineren Beitrag als der Lichtdruck der Sonnenstrahlung. Damit ist das Sonnenlicht die eigentliche Antriebsquelle von Sonnensegeln. Des Weiteren würde ich die japanische Entfaltung eines 10 Meter großen Segels nicht unbedingt als Durchbruch bezeichnen. Bereits im Februar 1993 wurde ein ähnliches, jedoch 20 Meter großes Segel an einem russischen Progress-Modul im Weltraum entfaltet (Znamya-2) und auch am Deutschen Zentrum für Luftund Raumfahrt in Köln wurde im Dezember 1999 ein 20 Meter großes Sonnensegel erfolgreich unter simulierten Schwerelosigkeitsbedingungen am Boden entfaltet. Dr. Bernd Dachwald, Köln

Anregung des Biologielehrers Als mir mein Biolehrer von dieser Zeitschrift berichtete, wusste ich nicht so recht, was ich davon halten sollte. Ich war zuerst sehr skeptisch. Doch als ich mir mehrmals vor dem Unterricht die Artikel durchlas, wurde mir ganz anders – ich konnte auf einmal die Gedankensprünge

meines Lehrers verstehen und somit dem Unterricht folgen, obwohl ich normalerweise nicht einer der Interessiertesten in Biologie war. Auf diesem Wege möchte ich der Redaktion, vor allem aber meinem Biolehrer vom WG Öhringen, Dank sagen. Peter Storz, per E-Mail

Künstliche Biomaschinen Oktober 2004

In der Mikrobiologie versteht man unter Klonierung die Vermehrung und/oder Ausprägung fremder Gene in Mikroorganismen. Der Artikel macht überhaupt nicht klar, worin der Unterschied zwischen »synthetischer Biologie« und der guten alten Kloniererei besteht. Damit ist auch der »Missbrauchs«-Teil Unfug, da gentechnisches Arbeiten global gesetzlich geregelt ist, in Deutschland mit dem Gentechnikgesetz sogar besonders fein. Stattdessen hätte herauskommen müssen, dass wir mittelfristig in der Lage sein werden, aus einer beliebigen Aminosäuresequenz Funktion und Mechanismus des resultierenden Enzyms zu berechnen. Ebenso werden wir vermutlich bald verstehen, wie aus der Interaktion von ein

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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paar tausend Proteinen und RNAs Leben resultiert. Dieser Forschungsansatz begann vor einigen Jahren und wird Bionomie, holistische Biologie und auch synthetische Biologie genannt. Der hier zu erwartende Erkenntnisfortschritt und die ihm folgenden Anwendungen wären dann wirklich eine weitere biologische Revolution. Im Vorspann schreiben Sie, künstliche Mikroorganismen sollen Schwermetalle abbauen. Es sollte klar sein, dass chemische Elemente, sofern es sich um stabile Isotope handelt, nur im Kernreaktor abgebaut werden können. Ganz bestimmt aber geht das nicht durch gentechnisch veränderte Bakterien.

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Prof. Dietrich H. Nies, Halle

Çatal H y k – Stadt der Frauen? September 2004

Wo bleibt die Mär? Ihr Bericht schildert ein blühendes Matriarchat mit Egalität in den sozialen Beziehungen, ohne Herrschaft! Kann Ian Hodder den wunderbaren Wald vor lauter Bäumen nicht sehen? Oder kennt er nicht die feministische Defi-

nition des Matriarchats mit den Begriffen Konsensgesellschaft, Fürsorge und Egalität? Gudrun Nositschka, Mechernich

Dunkle Energie bremst Computer aus Forschung aktuell, Oktober 2004

Der Gedanke, die gesamte Energie des Universums zur möglichst langen Aufrechterhaltung des Moore’schen Gesetzes zu verwenden, ist schon fantastisch. Wenn man auch großzügig über Feinheiten hinwegsieht, so wird es nicht 600 Jahre (400 Zyklen) der Leistungsverdoppelung bis zum Verbrauch aller verfügbaren Resourcen des Universums geben können. Der Grund hierfür liegt in der steigenden Energiedichte im Arbeitsvolumen der Hardware. Ab einer kritischen Dichte wird durch das Masseäquivalent des Energiestroms ein Schwarzes Loch entstehen und die Rechenvorgänge entsprechend »ausschalten«. Bei heutigen handelsüblichen Chips sind die Energieflüsse vergleichsweise klein, zum Beispiel 20 Watt bei einer Schichtdicke von 100 nm. Da der Verkleinerung Grenzen gesetzt sind, muss die Leis-

dresan: ü volständigenA Briefe an die Redaktion … … richten Sie bitte mit Ihrer Spektrum der Wissenschaft Ursula Wessels Postfach 10 48 40 D-69038 Heidelberg

E-Mail: [email protected] Fax: 06221 9126-729

Der Autor hat also Recht, wenn er am Ende seiner Ausführungen bemerkt: Das Ende wird viel früher kommen. Dr. Holger Casselmann, Odenthal

Bandw rmer – Zeugen der Menschwerdung Essay, Oktober 2004

tung entsprechend ansteigen. Überschlagsmäßig wird demnach von gegenwärtiger Leistung ausgehend bereits nach 245 Jahren ein Schwarzes Loch erzwungen (bei heutiger Chipgröße). Würde man jedoch große, räumliche Hardware bauen, beispielsweise in einer Kugel von 3 Kilometer Radius, so käme das Ende noch eher: nach zirka 175 Jahren entstünde ein Schwarzes Loch wegen der größeren räumlichen Ansammlung der Energie/Masseäquivalente mit dem entsprechenden Schwarzschildradius. Außerdem wird eine hohe Energiedichte zur spontanen Entstehung von Elementarteilchen führen. Der so erzeugte Teilchenstrom dürfte die Hardware ziemlich rasch zerstören. Wahrscheinlich kommt es gar nicht erst zur Bildung von Schwarzen Löchern.

Bei der Nutzung tierischer Nahrung, speziell bei der Erschließung des Schweins als Jagdbeute, bekam der Mensch es bekanntlich mit einem anderen, wesentlich gefährlicheren Parasiten zu tun als mit den genannten Vertretern der Cestodes, nämlich der Trichine. Trichinella spiralis aus der Gruppe der Nematoden kann beim Menschen schwere Erkrankungen bis hin zum Tode verursachen. Da frage ich mich, warum hier offenbar keine »gedeihliche Koevolution« stattgefunden hat. In diesem Zusammenhang hätte ich auch über die Bedeutung des Feuers für die Zubereitung der (tierischen) Nahrung gerne etwas erfahren. Mit dem Feuer hatte der Mensch doch neben vielen anderen Vorteilen auch die Möglichkeit, Nahrung zu sterilisieren.

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Chefredakteur: Dr. habil. Reinhard Breuer (v.i.S.d.P.) Stellvertretende Chefredakteure: Dr. Inge Hoefer (Sonderhefte), Dr. Gerhard Trageser Redaktion: Dr. Klaus-Dieter Linsmeier, Dr. Christoph P ppe (Online Coordinator), Dr. Uwe Reichert, Dr. Adelheid Stahnke; E-Mail: [email protected] Ständiger Mitarbeiter: Dr. Michael Springer Schlussredaktion: Christina Peiberg (kom. Ltg.), Sigrid Spies, Katharina Werle Bildredaktion: Alice Kr mann (Ltg.), Anke Lingg, Gabriela Rabe Art Direction: Karsten Kramarczik Layout: Sibylle Franz, Oliver Gabriel, Marc Grove, Anke Naghib, Natalie Schäfer Redaktionsassistenz: Eva Kahlmann, Ursula Wessels Redaktionsanschrift: Postfach 10 48 40, D-69038 Heidelberg, Tel. 06221 9126-711, Fax 06221 9126-729 Verlag: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Postfach 104840, D-69038 Heidelberg; Hausanschrift: Slevogtstraße 3–5, D-69126 Heidelberg, Tel. 06221 9126-600, Fax 06221 9126-751 Verlagsleiter: Dr. Carsten K nneker Geschäftsleitung: Markus Bossle, Thomas Bleck Herstellung: Natalie Schäfer, Tel. 06221 9126-733 Marketing: Annette Baumbusch (Ltg.), Tel. 06221 9126-741, E-Mail: [email protected] Einzelverkauf: Anke Walter (Ltg.), Tel. 06221 9126-744 Übersetzer: An diesem Heft wirkten mit: Dr. Markus Fischer, Dr. Olaf Fritsche, Dr. Susanne Lipps-Breda, Dr. Hans Zekl. Leser- und Bestellservice: Tel. 06221 9126-743,

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Christian Krippenstapel, Hildesheim

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ISSN 0170-2971

SCIENTIFIC AMERICAN 415 Madison Avenue, New York, NY 10017-1111 Editor in Chief: John Rennie, Publisher: Bruce Brandfon, Associate Publishers: William Sherman (Production), Lorraine Leib Terlecki (Circulation), Chairman: John Sargent, President and Chief Executive Officer: Gretchen G. Teichgraeber, Vice President: Frances Newburg, Vice President and

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PALÄONTOLOGIE

Mit langem Hals auf Beutefang Q Als Schönheit kann man Dinocephalosaurus orientalis nicht gerade bezeichnen. Der stark gestreckte Hals des Reptils, das vor über 230 Millionen Jahren in den Meeren hauste und dessen Überreste vor der südchinesischen Küste entdeckt wurden, war mit 25 Wirbeln und 1,7 Metern fast doppelt so lang wie der Rumpf. Diese ungewöhnliche Anatomie kam dem Urzeitriesen jedoch bei der Jagd auf Fische und Sepien zustatten. Anhand seines Skeletts haben Wissenschaftler um Chun Li von der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking nun rekonstruiert, wie das Reptil Beute machte. Es dürfte den vorgestreckten »Giraffenhals« genutzt haben, um sich unbemerkt anzuschleichen. Dann spannte es ruckartig seine Halsmuskeln an, sodass sich die Halsrippen nach außen spreizten und das Rachenvolumen sich vergrößerte. Der resultierende Unterdruck erzeugte einen Sog, der die Beute ins geöffnete Maul des Kolosses spülte. Die Opfer ahnten wohl bis zuletzt nichts von der Gefahr, da sie den kleinen Kopf ihres Feindes vermutlich als harmlos einstuften und den Rumpf erst wahrnahmen, wenn es schon zu spät war. (Science, 24. 09. 2004, S. 1931)

Mit seinem langen Hals konnte der Urzeitriese Dinocephalosaurus orientalis den nur 15 Zentimeter breiten Kopf vermutlich unbemerkt bis dicht an seine Beute bringen.

i d i ä t t m o g e n e n m s e s o g e n a n e u l i h l ö t t c e p z iev lptäeflseigrednöieteG tüberdiedashm lircahläxlt❊ienstäigen.S iausdernvxdäueterlm ü ticrM n e ä ü t n r m e f d ü r ✭ h f l i l H ä ü t a a n g n g r o m s x u u e itnoperhöstie.D Fiesw m ütrednerfS öhne

A S TR ONOMIE

GENETIK

Früher Kosmos im polarisierten Licht

Die Evolution der Homosexualität

Q Rund 380 000 Jahre nach dem Urknall vereinigten sich Atomkerne und Elektronen, die bis dahin ein Plasma gebildet hatten, zu neutralen Atomen. Dadurch wurde das junge Universum h durchsichtig und leuc auf. Als Relikt dieses Lichtblitzes gibt die kosmische Hintergrundstrahlung Auskunf V nisse im Weltall. So w he Schwankungen in dieser Strahlung auf die Existenz von Dic uktuationen hin, aus denen sic

entwickelt haben. Ursache der Inho-

ESA / NASA UND JEAN-PAUL KNEIB / OBS-MIP

SPEKTROGRAMM

SPEKTROGRAMM

Dunkle Materie gewesen sein, von der die Physiker noch nicht genau wissen, woraus sie besteht. Forscher um Anthony Readhead vom Californian Institute of Technolgy (Caltech) konnten dieses Bild nun beermaßen mit dem Teleskop »Cosmic Background Imager« die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung und entdeckten dabei gleichfalls Fluktuationen. Diese rühren aber nicht von Dichte-, sondern von Geschwindigkeitsschwankungen her. Sie beweisen somit, dass sich das Material an den Verdichtungen bereits zusammenzog. Dazu passt auch eine charakteristische (Phasen-)Verschiebung zwischen dem Spektrum der Dichte-Inhomogenitäten und dem der Polarisationsschwankungen: In einer kontrahierenden Wolke ist die Dichte im Zentrum maximal, die Geschwindigkeit dagegen am Rand. (Science, 29.10.2004, S. 836)

l Die Verteilung Dunkler Materie (blau) im Galaxienhaufen Cl0024+1654

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Q Gibt es ein Gen für Homosexualität? Und wie konnte es sich in der Evolution behaupten, obwohl gleichgeschlechtliche Paare keine Nachkommen hervorbringen und ihre Veranlagung somit auch nicht vererben? Auf der Suche nach Antworten fragten Forscher um Andrea CamperioCiani von der Universität Padua 100 hetero- und 98 homosexuelle Männer über ihre Verwandtschaft aus. Die statistische Analyse der Daten bestätigte frühere Hinweise, wonach eine Neigung zur Homosexualität über das X-Chromosom der Mutter vererbt wird. Homosexuelle Söhne gab es nämlich besonders häufig, terlichen Linie noch anw dere homosexuelle Verwandte existierten. Zudem hatten weibliche Vorfahren homose terlicherseits im Durchschnitt mehr Kinder als solche hen Sippe. Demnac te die V ruchtbarkeit bei Frauehlenen gek den Nachkommen aus den gleichgeschlechtlichen Partnerschaf ausgleichen. (Proceedings of the Royal Society of London B, FirstCite 18.10.2004)

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Q DEZEMBER 2004

PA R A S I T I S M U S

Wespe mit selbst gebastelter Biowaffe Q Schlupfwespen legen ihre Eier in Raupen, die dann als lebendige Speisekammer für die Larven dienen. Um den Erfolg des heimtückischen Manövers zu sichern, injizieren manche Räuber zusätzlich Viren als trickreiche Biowaffen. Die von diesen erzeugten Proteine unterdrücken das Abwehrsystem des Wirts, damit es die Eier nicht bekämpft, und sorgen zugleich dafür, dass sich die Raupen nicht verpuppen und den Larven als Brutstätte erhalten bleiben. Für die Schlupfwespe sind die Viren harmlos: Sie vermehren sich ausschließlich in ihren Eierstöcken. Als Eric Espagne und seine Mitarbeiter am Forschungsinstitut für Insektenbiologie in Tours nun bei der Schlupfwespe Cotesia congregata die DNA dieser Biowaffe analysierten, entdeckten sie Erstaunliches. Das Erbgut der Viren erwies sich nämlich nicht nur als extrem umfangreich, sondern enthielt auch überhaupt keine virustypischen Gene. Mehr als siebzig Prozent der DNA war sogar sinnloser Buchstabensalat, wie er nur im Genom höherer Organismen vorkommt. Die Forscher vermuten deshalb, dass es sich gar nicht um echte Viren handelt, sondern um Konstrukte aus mobilen DNAElementen, die von den Wespen selbst zusammengebastelt und in eine geborgte Virushülle gesteckt wurden.

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N A N OTECHNIK

Eisen

Kohlenstoff

Sauerstoff

l Drei Rotorblätter aus Carbonylgruppen sind in einem Gitterkäfig über ein Eisenatom mit einer drehbaren Achse verknüpft.

Phosphor

(Science, 8.10.2004, S.286)

Q Chemiker von der Universität Erlangen-Nürnberg haben den ersten Spielzeugkreisel im Nanoformat geschaffen. Ein Eisenatom im Zentrum bildet zusammen mit zwei sich gegenüberstehenden Phosphoratomen die Drehachse. Senkrecht zu ihr spreizen sich drei Carbonylgruppen (CO) wie die Rotorblätter eines Hubschraubers vom Eisenatom ab. Ausladende Kohlenwasserstoffhenkel an den Phosphoratomen spannen einen Käfig auf, in dem der Motor sich dreht. Bei der Synthese der Verbindung entstehen allerdings keine einzelnen Kreisel, sondern Kristalle, in denen die Rotoren parallel in Schichten nebenSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Q DEZEMBER 2004

und übereinander gestapelt sind. Die Einzelteile des Miniatur-Brummkreisels sind modifizierbar. So lässt sich die Größe der Henkel variieren. Außerdem gelang es Takanori Shima, Frank Hempel und John Gladysz, eines der drei Carbonyl-Rotorblätter gegen eine Nitrosylgruppe auszutauschen. Das dadurch induzierte elektrische Dipolmoment sollte es erlauben, den Kreisel durch ein elektrisches Wechselfeld von außen gezielt zu steuern. Bisher dreht er sich, angeregt durch thermische Energie, nur in zufällige Richtungen.

u Die Larven der Schlupfwespe Cotesia congregata spinnen ihre Konkons auf der Raupe des Tabakschwärmers, in der sie zuvor herangewachsen sind. SCIENCE

MICHAEL OTTO, INSTITUT FÜR ORGANISCHE CHEMIE, UNIVERSITÄT ERLANGEN-NÜRNBERG

Molekularer Motor

(Angewandte Chemie, 13.10.2004, S. 5531)

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nlG könew irIhnediheB dreünldier ä ü Ä PHYSIK

Aus urheberrechtlic

Schneller Schleimschwimmer

Fundamente eines Geb udes in der mongolischen Provinz Hentiy, das seine Entdecker f r das Mausoleum von Dschingis Kahn halten

AR CH O LOGIE

Mausoleum von Dschingis Khan entdeckt? Q Im Bereich einer Fundstätte 250 Kilometer östlich von Ulan Bator, an der ein japanisch-mongolisches Team schon seit 2001 Palastruinen von Dschingis Khan und seinem Sohn ausgegraben hat, sind die Archäologen nun auf die Fundamente eines Gebäudes gestoßen, das sie als Mausoleum des berühmt-berüchtigten Mongolenherrschers deuten. In diesem Monument sollen einst die Totenrituale vollzogen worden sein. Lage und Grundriss entsprechen Beschreibungen in alten chinesischen und persischen Chroniken. Außerdem entdeckten die Forscher von der Kokugakuin-Universität in Tokio, der Universität Niigata und

der Mongolischen Akademie der Wissenschaften vier 1,5 Meter breite Gruben mit Asche und verkohlten Knochen von Pferden, Schafen und anderen Tieren. Laut alten chinesischen Berichten wurden nach dem Tod eines mongolischen Herrschers drei Jahre lang täglich Tiere geopfert und vergraben. Die Forscher hoffen nun, in der Nähe das sagenumwobene Grab von Dschingis Khan zu finden, das wertvolle Schätze bergen soll. Nach mongolischer Tradition werden die Gebeine eines verstorbenen Herrschers in der Nähe des Mausoleums bestattet – üblicherweise im Umkreis von drei bis zwölf Kilometern.

Q Nun scheint sie entschieden, die alte Debatte zwischen Christiaan Huygens und Isaac Newton: Der niederländische Kollege des englischen Entdeckers der Gravitation hatte Recht mit seiner Behauptung, dass Menschen in Schleim genauso schnell schwimmen wie in Wasser. Edward Cussler von der Universität von Minnesota in Minneapolis machte kurzerhand die Probe aufs Exempel. Er löste in einem Schwimmbecken 300 Kilogramm Guargummi und überredete seinen Studenten Brian Gettelfinger, einen Leistungsschwimmer, zu einem Bad in der breiigen Brühe. Der Athlet kam darin flott voran: Welchen Schwimmstil er auch benutzte, er war nur gut vier Prozent langsamer als in klarem Wasser. Cussler erklärt das damit, dass zwei entgegengesetzt wirkende Faktoren einander weit gehend aufheben. Zwar müsse ein UNIVERSITY OF MINNESOTA

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V ER HALTEN

Pfeilschnelle Schnecke

JOSEPH R. SCHULZ, OCCIDENTAL COLLEGE, LOS ANGELES

Q Die Rote Wegschnecke mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zu filmen wäre sicherlich übertrieben. Nicht so bei der Kegelschnecke Conus catus; denn sie angelt sich ihre Beute in Blitzesschnelle. Um die bisher nicht im Detail bekannte Jagdszene in Zeitlupe aufzuzeichnen, setzten Joseph Schulz und seine Kollegen von der Stanford-Universität in Kalifornien eine der dämmerungsaktiven Wasserschnecken zusammen mit einem Beutefisch in einen Trog.

Sobald das Tier auf sein Opfer aufmerksam geworden war, stülpte es sein durchsichtiges Schlundrohr nach außen, bis es den Fisch damit berührte. In weniger als einer Drittelsekunde zog sich dann der Rüssel zusammen und schleuderte gleich einer Harpune einen hohlen, pfeilförmigen Zahn in den Körper der Beute, wo er ein schnell wirkendes Gift injizierte. Wie an einer Angel konnte das Weichtier so schließlich sein Nachtmahl in seine Mundhöhle ziehen, um es dort in Ruhe vorzuverdauen. Unklar bleibt allerdings der Abschussmechanismus für die Pfeile. (The Biological Bulletin, 1.10. 2004, S. 77)

l Die Kegelschnecke Conus catus ertastet ihre Beute mit dem Schlundrohr und harpuniert sie dann blitzschnell mit einem pfeilförmigen Zahn.

Der Schleimschwimmer in Aktion

Schleimschwimmer mehr Reibungswiderstand überwinden, erreiche in der dickflüssigen Masse aber eine größere Schubkraft. Entscheidend seien seine Stromlinienform und Größe. Ein Bakterium, so Cussler, werde in Sirup wohl nicht so schnell ans Ziel kommen wie in Wasser. (American Institute of Chemical Engineers Journal, Bd. 50, S. 2646)

Mitarbeit: Katharina Grund und Stephanie Hügler SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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BILD DES MONATS

f f d i K ü l i h i d ö l ü b l b i t t e s e n e n a s n e a g e s a u u r r z w r ü laskicu d sd c äg ezah n seS relif rü rio

Der größte und aktivste Vulkan der Antarktis ist der 3796 Meter hohe Mt. Erebus auf Ross Island. Sein 250 Meter breiter innerer Gipfelkrater enthält einen See aus geschmolzener, rot glühender Lava. Auf der Außenseite befindet sich dagegen ein ausgedehntes System aus Gletschern, von denen die meisten bis zum Rand der Insel reichen. Einer davon dringt sog Kilometer weit in den McMurdo Sound hinein. Diese Eiszunge ist etwa zehn Meter dick und schwimmt im Wasser der Bucht, das im hen Winter zufriert. Im Sommer branden Wellen gegen den Zungenrand und fressen tiefe Kerben in das Eis. Dies ergibt zusammen mit dem Fließen des Gletschers, der um 160 Meter pro Jahr vor kt, . Die Aufnahme der Sonde Aster auf dem Terra-Satelliten zeigt rechts unten auch die etwa drei Kilometer lange Landebahn der US-amerikanischen McMurdo-Forschungsstation. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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JESSE ALLEN, NASA EARTH OBSERVATORY

Sägeblatt-Gletscherzunge

FORSCHUNG AKTUELL

FORSCHUNG AKTUELL S TOFFW EC HS EL

Nobelpreis für Chemie: der grüne Punkt der Zelle Zellen kennzeichnen Proteine, die in die Recyclingtonne gehören, mit einem Molekül, das seit der Urzeit des Lebens fast unverändert seinen Dienst tut. Die Entdeckung und Aufklärung dieses zellinternen Wiederaufarbeitungssystems verhalf drei Forschern aus Israel und den USA zum diesjährigen Nobelpreis für Chemie. Von Michael Groß

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ignale sind lebensnotwendig – im Straßenverkehr ebenso wie in der Zelle. Damit alles in geordneten Bahnen verläuft, müssen Start- und Stoppsignale im richtigen Moment angeschaltet werden. Doch genauso wichtig ist es, sie nach Ablauf ihrer Gültigkeitsperiode wieder abzuschalten. Wenn alle Ampelanlagen auf Grün stehen bleiben, kommt es garantiert zum Verkehrschaos. In der Zelle bedienen in der Regel Eiweißstoffe die Signalhebel. Eine zentrale Stellung hat dabei zum Beispiel das Protein p53. Wenn es nicht mehr richtig funktioniert, kann die Zelle entarten und zu wuchern beginnen: Ein Tumor entsteht. Die Synthese, Abwandlung oder Ausschüttung eines solchen Proteins wirkt im Organismus also unter Umständen als Signal mit weit reichenden Konsequenzen. Doch wie wird es wieder abgeschaltet? Die diesjährigen Chemie-Laureaten haben einen Mechanismus entdeckt, der

gezielt bestimmte Proteine aus dem Verkehr zieht – teils solche, die von Anfang an fehlerhaft waren oder beim Gebrauch beschädigt wurden, aber auch Signalproteine, deren Gültigkeit abgelaufen ist. Als Schlüsselelement fungiert dabei ein kleines, in allen höheren Lebewesen fast identisches Protein namens Ubiquitin, welches als »Etikett« die abzubauenden Proteine markiert. Die Geschichte seiner Entdeckung ist geradezu ein Lehrbuchbeispiel klassischer Enzymforschung.

Gegen den Strom schwimmen Sie begann vor 35 Jahren, als Avram Hershko, einer der drei Preisträger, als Postdoktorand nach San Francisco ging. Er kam in ein Labor, wo alles, was weiße Kittel trug, an Mechanismen arbeitete, welche die Produktion des Enzyms Tyrosin-Aminotransferase in der Zelle anregen. Um in der Masse nicht unterzugehen, beschloss er, gegen den Strom zu schwimmen. In der Zelle werden, überlegte er sich, Enzyme ja nicht nur herge-

Avram Hershko (links) und Aaron Ciechanover (Mitte) vom Technion in Haifa sowie Irwin Rose von der Universität von Kalifornien in Irvine erhielten den Chemie-Nobelpreis für die Entschlüsselung des zellulären Recyclingsystems.

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stellt, sondern auch wieder abgebaut. Ihre Menge lässt sich also auch dadurch erhöhen, dass man ihren Abbau drosselt. Daher wandte er sich diesem Prozess zu und untersuchte ihn in Zell-Extrakten. Zu seiner Überraschung stellte er fest, dass dort die Tyrosin-Aminotransferase und andere Enzyme nur dann zerlegt werden, wenn der zelluläre Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) vorhanden ist. Seltsam daran war, dass die Aufspaltung eines Proteins in seine Aminosäurebausteine an sich keine Energie benötigt, sondern im Gegenteil sogar Wärme freisetzt. Offenbar verknüpft die Zelle, so Hershkos Schlussfolgerung, den Abbau also mit einem anderen, für sie wichtigen Vorgang – ATP ist teuer! –, der nicht von selbst stattfinden kann. Der Verdacht lag nahe, dass es ein bisher unbekannter Auswahlmechanismus sein könnte. Nach seiner Rückkehr ans Technion in Haifa (Israel) machte sich Hershko daran, den merkwürdigen Energie verbrauchenden Abbauprozess zu analysie-

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Die drei Enzyme E1, E2 und E3 versehen Proteine, die für den Abbau bestimmt sind, mit einer Kette aus Ubiquitin-Molekülen. Zunächst lagert E1 ein Ubiquitin an, aktiviert es dabei und übergibt es an E2, das sich daraufhin an E3 heftet. Letzteres tritt in Varianten mit verschiedenen Andockstellen auf, die wie Schraubenschlüssel zu bestimmten Eiweißstoffen passen. Wenn es ein

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passendes Protein gefunden hat, knüpft es gemeinsam mit E2 das Ubiquitin daran. Dieser Ablauf wiederholt sich, bis eine Kette von Ubiquitin-Molekülen an dem Zielprotein hängt. Die Kette bindet sich an die »Recyclingtonne« – das so genannte Proteasom – und liefert das zugehörige Protein ab. Es wird dann ins Innere gefädelt und dort in kurze Fragmente zerschnitten. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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sächlich nur eine Komponente des gesamten Systems. Hershko und Ciechanover konnten diesen Bestandteil isolieren und nachweisen, dass er zusammen mit der zweiten Fraktion, die sie zunächst einfach als Gebräu ungeklärter Zusammensetzung einsetzten, den energieabhängigen Abbauprozess in Gang brachte. Es handelte sich um ein kleines Protein mit nur 76 Aminosäuren, das sich später als alter Bekannter erwies: Ubiquitin. Auf dieses Molekül waren schon mehrere Forscher in anderen Zusammenhängen gestoßen, und seinen Namen (von lateinisch ubique, überall) verdankt es der Tatsache, dass es so gut wie allgegenwärtig ist.

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Zwischenträger und Kuppler Mit reinem Ubiquitin und der Fraktion 2 machte Hershko sich dann an die Aufklärung der genauen Rolle dieses Moleküls beim Abbau von Proteinen. Dabei arbeitete er mit dem dritten Preisträger – Irwin Rose – zusammen, in dessen Labor am Fox Chase Cancer Center in Philadelphia er ab 1978 mehrere Freisemester verbrachte. Aus den über ein Jahrzehnt währenden Forschungsarbeiten schälte sich schließlich ein kompliziertes Bild heraus, das sich hier nur in den Grundzügen darstellen lässt (Kasten links). Im ersten Schritt aktiviert ein Enzym namens E1 das freie Ubiquitin, indem es sich unter Verbrauch von ATP über eine

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lrm oiatneeol.nsbB A inosäurenhlüseA tähäunrldek)t. m JÜRGEN SÜHNEL, JENA

ren. Dabei unterstützte ihn sein Doktorand Aaron Ciechanover, der zweite Preisträger. Wie in solchen Fällen üblich, versuchten die Forscher, jene Komponente des Zell-Extrakts zu isolieren, welche die ATP-abhängige Enzymspaltung bewirkte. Klassischerweise unterwirft man das zu untersuchende Medium dazu einem Trennverfahren und verteilt die einzelnen Fraktionen auf kleine Gefäße. Dann prüft man, ob in einem dieser Gefäße die interessierende Reaktion vielleicht verstärkt stattfindet. Wenn ja, wurde die gesuchte Komponente in dieser Fraktion angereichert. So tastet man sich voran und hat unter günstigen Umständen einige Monate (oder Jahre) später eine Reinigungsvorschrift, die zuverlässig zu einer wohldefinierten Probe der gesuchten Komponente führt. Bei der Enzymaktivität, die Hershko und Ciechanover in den 1970er Jahren untersuchten, gestaltete sich das Prozedere allerdings komplizierter. In einem der ersten Trennungsschritte erhielten sie bereits zwei Fraktionen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften, die für sich allein aber beide inaktiv waren. Demnach musste der Abbauprozess das Zusammenwirken mehrerer Bestandteile erfordern, die sich auf die zwei Produkte der Trennung verteilten. Die eine der beiden Fraktionen – nennen wir sie Nummer 1 – erwies sich als erstaunlich hitzestabil und war einfacher zu handhaben als die andere. Ihr wandten sich die Forscher deshalb als Erstes zu. Das war ein Glücksgriff, wie sich herausstellte; denn diese Fraktion enthielt im Gegensatz zur zweiten tat-

Ubiquitin spielt beim Recycling der Zelle eine Sc Das nur 76 lange Protein zwei schraubige Alpha-Helices (gelbe Zylinder) und wellblechartige Beta-F ter, in te denen Abschnitte der fast parallel verlaufen (violet

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Schwefelbrücke daran heftet. Dann reicht es das Protein an einen Zwischenträger, E2, weiter, der es auf dieselbe Weise packt und dem »Kuppler« E3 zuführt. Der hat die spezielle Fähigkeit, das abzubauende Protein zu erkennen und gezielt zu ergreifen. Er übergibt es dem Zwischenträger, der das Ubiquitin daran befestigt. Solange das Etikett nur aus einem Molekül besteht, bedeutet es noch kein Todesurteil – selbst wenn es an mehreren Stellen angeheftet ist. Bei Histonen, um die sich der DNA-Faden im Zellkern schlingt, dient eine solche Markierung zum Beispiel lediglich zur Regulierung ihrer Aktivität. Bei einem abzubauenden Eiweißstoff hingegen werden an das bereits gebundene Ubiquitin weitere Exemplare angehängt, bis sie einen regelrechten Schwanz bilden (Spektrum der Wissenschaft 1/1996, S. 70). Erst dieser versieht das Protein gleichsam mit einem grünen Punkt, der besagt: Ab damit in die Recyclingtonne! In der Zelle heißt sie Proteasom und akzeptiert 15

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nur Proteine, die eine Ubiqutinkette vorweisen können (Spektrum der Wissenschaft 5/2001, S. 54). Diese wird am Eingang zur Tonne zunächst abgespalten und freigesetzt. Die Ubiquitinmoleküle können in den Kreislauf zurückkehren, sobald eine Isopeptidase sie aus der Verkettung befreit hat. Nach dem Entfernen des Etiketts wird der verknäulte Aminosäurefaden des todgeweihten Proteins aufgedröselt, ins Innere der Tonne geschleust und dort in Stücke geschnitten. Auch dieser Schritt verbraucht ATP. Die Schnipsel werden schließlich entweder weiter in die einzelnen Aminosäuren zerlegt, die zum Aufbau neuer Proteine dienen können, oder anderen Zwecken zugeführt – etwa an der Zelloberfläche ausgehängt, damit die Patrouillen der Immunpolizei kontrollieren können, ob vielleicht körperfremde Eiweißstoffe in der Zelle vorkommen.

Uraltes Erbe der Evolution Das ganze System wirkt so kompliziert, dass man geneigt ist, es für eine späte Errungenschaft der Evolution zu halten. Tatsächlich aber gehört es zur Grundausstattung im gesamten Urreich der Eukaryoten – also bei Tieren, Pflanzen, Hefen, kurz: allem, was über einen Zellkern verfügt – und hat sich seit der Frühzeit des Lebens so getreu erhalten wie sonst kaum ein Mechanismus. Vergleicht man das Ubiquitin des Menschen mit dem anderer Tierarten, findet man meist keinen Unterschied. Selbst das Exemplar der Bierhefe weicht nur in drei Positionen von unserem ab. Eine derart strikte Bewahrung deutet – ebenso wie der Nobelpreis – darauf hin, dass die Geschichte wichtig sein muss. Tatsächlich können Störungen des Ubiquitinsystems zu einer Reihe schwerer Krankheiten führen, darunter Krebs. Dass das allgegenwärtige Molekül für Mensch und Tier so unverzichtbar ist und Abweichungen in seiner Zusammensetzung nicht geduldet werden, hat letztendlich denselben Grund wie die Tumorgefahr bei Mutationen im p53. Wir Eukaryoten sind in hohem Maße von unseren zellulären Signalen abhängig: Wenn die Ampelanlagen ausfallen, gibt es Verkehrschaos in der Zelle – mit verheerenden Folgen. Michael Groß ist promovierter Biochemiker, freier Wissenschaftsjournalist und »Science Writer in Residence« am Birkbeck College in London.

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QUANT E N D Y N A M I K

Nobelpreis f r Physik: asymptotische Freiheit

G ü d e n n e n r h kü ö i I d i B i l d l i n e n n e e w r r h f d ih K n e n rklä ru g rstä reE rsta rke ra

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an drei Wissenschaftler, de-

ren Arbeiten die Grundlage für die Quantenchromodynamik geschaf-

fen haben – die Theorie für jene »starke Kraft«, welche die fundamentalen Bausteine der Materie zusammenhält. Von Uwe Reichert

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ohl im Leben eines jeden Studenten gibt es ein Ereignis, das die Weichen für seinen späteren Werdegang stellt. Für Frank Wilczek, einen der drei diesjährigen Preisträger, war es die Begegnung mit David Gross, dem zweiten der Physik-Laureaten. Wilczek hatte 1972 an der Stanford-Universität in Kalifornien die Master-Prüfung in Mathematik abgelegt und suchte nun ein Thema, an dem er weiterarbeiten konnte. »Ich brauchte eine Aufgabenstellung, die mich packte und die nach einer Lösung verlangte«, erinnerte er sich später in einer seiner Publikationen. Wilczek fand diese Aufgabe nicht in der Mathematik, sondern in einem angewandten Fachgebiet. »In der Physik«, so dachte er, »musst du nicht selbst nach offenen Fragen suchen – das erledigt die Natur für dich.« Also belegte der damals 21-Jährige eine Vorlesung über relativistische Quantenfeldtheorie. Dozent war der nur zehn Jahre ältere David Gross. »Innerhalb von fünf Minuten fielen mir zwei Dinge auf«, schrieb Wilczek: »Dieser Gross war ein kluger Kopf, und er zeigte leidenschaftliches Interesse an dem Stoff, den er vortrug. Das war genau das, was ich suchte.«

üü

Gesp r f r die richtige Theorie In zahlreichen Gesprächen mit Gross lernte Wilczek zunächst etwas sehr Wichtiges: Während Lehrbücher nur erfolgreiche Ideen behandeln und dadurch den Eindruck vermitteln, wissenschaftlicher Fortschritt verlaufe nach einem geordneten, logischen Muster, sieht die Realität anders aus. Der junge Student begriff, dass man sich als Forscher wie in einem Labyrinth bewegt, stets auf der Suche nach dem richtigen Weg, und dass es einer gehörigen Portion Erfahrung und Intuition bedarf, zwischen all den verwir-

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F t wurden David Gross (links) von der Univer von Kalifornien in Santa Barbara, Frank Wilczek (Mitte) vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und David Politzer vom California Institute of Technology in Pasadena mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.

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renden Sackgassen die Erfolg versprechende Richtung auszumachen. Gross hatte bereits einen sechsten Sinn dafür entwickelt, und sein Schüler erwarb bald das gleiche Gespür. So dauerte es nicht lange, bis das Interesse der beiden auf ein rätselhaftes Phänomen gelenkt wurde. Ende der 1960er Jahre war in der Nähe ihrer Universität – am Stanford Linear Accelerator Center (Slac) – ein drei Kilometer langer Linearbeschleuniger in Betrieb gegangen. Diese Riesenmaschine erzeugte hochenergetische Elektronen, die sich als ideale Sonden erwiesen, um ins Innere von Protonen und Neutronen einzudringen und die Struktur dieser Kernbausteine zu erforschen. Ein bewegtes Elektron verhält sich nämlich wie eine Welle, deren Wellenlänge von seiner Geschwindigkeit abhängt. Ein langsames Elektron hat eine relativ große Wellenlänge; es stößt deshalb mit dem Proton als Ganzem zusammen und wird abgelenkt – ähnlich einer Murmel, die auf eine Billardkugel trifft. Erhöht man aber die Energie des Elektrons, wird seine Wellenlänge schließlich kleiner als der Durchmesser des Protons, sodass es in dieses eindringt und Informationen SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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DESY / SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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über sein Innenleben liefert (Spektrum der Wissenschaft, 3/2001, S. 62). Schon nach kurzem Experimentbetrieb mehrten sich die Indizien, dass das Proton eine »körnige« Struktur hat und aus noch kleineren Bestandteilen aufgebaut ist, die Murray Gell-Mann und Georg Zweig schon einige Jahre vorher postuliert und Quarks genannt hatten. An einem Teilchen ohne innere Struktur sollten die auftreffenden Elektronen mit fast der gleichen Energie abprallen, mit der sie angekommen waren. Bestünde das Teilchen jedoch aus kleineren Einheiten wie den Quarks, würden die hochenergetischen Elektronen direkt mit diesen zusammenstoßen. Wenn sich die Quarks zudem in stetiger Bewegung befänden, kollidierten manche Elektronen mit schnell bewegten, andere hingegen mit fast ruhenden. Demnach sollten sie mit unterschiedlicher Energie abprallen. Genau das zeigten die Experimente am Slac: Die Energien der gestreuten Elektronen variierten erheblich. Aus dem Streumuster schlossen die Forscher auf das Vorhandensein von drei Quarks. Die Kräfte, die zwischen ihnen wirkten, verhielten sich allerdings sehr merkwürdig: Sie schienen umso kleiner zu werden, je näher sich die Quarks kamen. Das bereitete den Physikern einiges Kopfzerbrechen, schien es doch fundamentale Prinzipien der Physik zu verletzen. Die Gravitation nimmt mit wachSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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b lp isträ sik➾N o e e re g rstä rke

Nach den Erkenntnissen der Phywerden die Quarks im Inneren des Protons durch eine Kraft zusammengehalten, die wie eine Sprungfeder wirkt und sie umso zueinander zieht, je weiter sie sich voneinander entfernt haben. Vermittler dieser Kraft sind die Gluonen. Diese Austauschteilchen können auch untereinander wechselwirken und dabei kurzzeitig virtuelle Quark-Antiquark-Paare erzeugen.

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sender Entfernung ab, die elektromagnetische Wechselwirkung ebenfalls. Warum sollte ausgerechnet die starke Wechselwirkung – wie man die Kräfte zwischen den Quarks nennt – das umgekehrte Verhalten zeigen? Gross und Wilczek vermuteten in diesem merkwürdigen Abstandsverhalten den Schlüssel zum Verständnis der starken Wechselwirkung. Damals gab es bereits einige Theorien, die das Verhalten von eng benachbarten subatomaren Teilchen zu beschreiben suchten – doch sie alle ergaben das gewohnte Abstandsgesetz: Die Kraft zwischen Teilchen wurde umso größer, je dichter man sie zusammenbrachte. Allerdings war eine bestimmte Klasse von Theorien noch unerforscht: die so genannten nicht-abelschen Eichtheorien. An diese hatten sich die theoretischen

fl ä r e G d l d ä t t a r n e r e n g a e n s e n a c u u d B b b ü ü t m r c rhe a s o n à , h fl ü tfü t m rkau g en fl o rd

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Raumschiff Enterprise startklar, alles einsteigen!

nen an den neu eingeführten Pendolinos. Aber dafür hat Branson es stets verstanden, mit erfolgreichen oder glücklosen Abenteuern Sympathiepunkte zu gewinnen – sei es, dass er mit einer Ballon-Weltumrundung scheiterte oder einen Geschwindigkeitsrekord für die amphibische Überquerung des Ärmelkanals aufstellte. Und so kam auch die Queen nicht daran vorbei, ihn für seine Verdienste um die britische Wirtschaft zum Ritter zu schlagen. SC CO AL M ED PO SI TE S

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NACHGEHAKT

SCALED COMPOSITES LLC

Als die privat finanzierte Weltraumrakete Space Ship One im Oktober zum zweiten Mal innerhalb einer Woche bis an den og und damit den Ansari-X-Preis Rand der Erdatmosph gewann, w h ein gewisser Sir Ric htigt als Abenteurer und Unternehmer. Er will auf der Grundlage des Space Ship One ommerzielle R wickeln lassen. eine Rak Bleiben Sie dabei, sich von diesem begnadeten Hasardeur in Getreu seinem Motto »Nur keine falsche Bescheidenheit!« den Weltraum schießen zu lassen? Sie sollten sich jedenfalls verkündete er, dass sein neues Unternehmen, Virgin Galactic schnell entscheiden. Innerhalb von vier Wochen nach Be(sic!), mit einem Raumschiff namens Enterprise (kein Witz!) kanntgabe des Projekts haben sich nämlich schon 7000 Unerab 2007 im regelmäßigen Flugverkehr zahlende Passagiere schrockene vormerken lassen, darunter der 73-jährige Wilauf eine Höhe von etwa hundert Kilometern schießen will. liam Shatner, der seinerzeit als »Captain Kirk« die andere Das ist zwar etwas weiter als der diesjährige Rek ug, Enterprise durchs Weltall steuerte. aber trotzdem bei weitem nicht hoch genug, um in eine staOb er seine Getreuen von einst mit an Bord bringt? Zuminbile Erdumlaufbahn einzutreten. Gemessen an den 384 000 dest muss er sich nicht um die Kosten kümmern, notfalls Kilometern zum Mond, legt die Enterprise etwa dieselbe nimmt er eine Kamera mit und spielt den Flugpreis über TVStrecke zurück wie die Hamburger Ameisen, die in dem be- Lizenzen wieder ein. Vor allem der von Identitätskrisen gekannten Ringelnatz-Gedicht nach Australien reisen wollten. schüttelte Leonard Nimoy – dem Buchbekenntnis »I am not Sir Richard hat für die ersten fünf Betriebsjahre dreitau- Spock« folgte kürzlich der Widerruf »I am Spock« – dürfte die send Passagiere eingeplant. Doch bevor Sie jetzt aufspringen Quoten hochtreiben. und ihm die 160 000 Euro für eine Weltraumfahrkarte hinblätVerglichen mit den 20 Millionen Dollar, die Denis Tito als tern, sollten Sie vielleicht besser die Vorgeschichte der jung- Privatmann für den Trip zur Internationalen Raumstation zahlfräulichen Unternehmensgruppe kennen. Schuld an deren ra- te, sind 160 000 Euro ja wirklich ein Schnäppchen. Allerdings ketengleichem Aufstieg ist wohl letztlich der jüngst dauert die ganze »Weltraum«-Reise auch nur drei Stunden, verstorbene Radio-Discjockey John Peel. Der war 1973 so und es bleiben gerade einmal fünf Minuten, den Ausblick von dreist, in seiner Sendung die Langganz oben zu genießen. Den wirklich spielplatte eines völlig unbekannten großen Überblick verschafft dieser AusKünstlers namens Mike Oldfield in volsichtspunkt ohnehin nicht, auch wenn ler Länge abzuspielen. Da die Untertasich von dort immerhin schon die nen Ihrer Majestät stets auf Peels Krümmung der Erde erkennen lässt. Empfehlungen hörten, wurde das AlZwar beginnt am Rand der Atmosphäbum – und die Single »Moonlight re offiziell das Weltall, als normaler ErShadow« – ein Sensationserfolg. Die denbürger stellt man sich darunter winzige Plattenfirma, die Oldfield unaber eigentlich etwas anderes vor. ter Vertrag hatte, schwamm plötzlich Tatsächlich erinnert der dreistündige im Geld. Mitbegründer Richard BranHüpfer weniger an Raumfahrt als an son hatte das Label »Virgin Records« inverses Bungee-Jumping. Einen Capgenannt, weil er seine Unerfahrenheit tain Kirk, an serienmäßige Forschungsals Geschäftsvorteil betrachtete. reisen durch unendliche Weiten gewöhnt, würde er sicher maßlos enttäuMit demselben Geschäftsvorteil – schen. Wer noch genügend Lebenszeit und beträchtlicher Liquidität aus dem vor sich hat, sollte daher lieber warten, erfolgreichen Musikgeschäft – stürzte bis die Raketen irgendwann tatsächlich sich der Jungunternehmer nun in andeOrbithöhe – also mindestens dreihunre Wirtschaftsbereiche. Er gründete dert Kilometer – erreichen. Sir Richard eine Fluglinie, braute Cola, verkaufte lässt bestimmt schon Pläne zeichnen Handys und versuchte sich als Retter für ein Virgin-Hotel in der Umlaufbahn, der kaputtgesparten britischen Eisenunter dem bescheidenen Namen »Hobahnen. Als er jetzt seine ehrgeizigen Weltraumpläne verkündete, machten Diesen Blick sollen Normalsterbli- tel am Rande des Universums«. seine Eisenbahnzüge gerade Negativche ab 2007 160 000 Euro genieMichael Groß schlagzeilen – wegen technischer Panwww.proseandpassion.com

f ü r ß kö e n n e n .

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Physiker noch nicht so recht herangewagt – nicht wegen des abschreckenden Namens, sondern weil sie mathematisch schwer zu handhaben waren und zudem jede Menge Ausdrücke enthielten, denen keine physikalische Bedeutung beigemessen werden konnte. Beispielsweise tauchten darin Teilchen auf, die mit negativer Wahrscheinlichkeit entstehen sollten. Die Wahrscheinlichkeit für die Existenz eines Partikels muss jedoch zwischen 1 (Teilchen existiert sicher) und 0 (Teilchen existiert nicht) liegen; negative Werte ergeben keinen Sinn.

Der Widerspenstigen Z hmung Einer der ersten Physiker, der solch unsinnig erscheinenden eorien brauchbare Vorhersagen entlockt hatte, war der Niederländer Gerardus ’t Hooft. Auf Anregung seines Doktorvaters Martinus Veltman entwickelte er 1971 an der Universität Utrecht ein Instrumentarium, mit dem sich unliebsame Ausdrücke in den Rechnungen zum Verschwinden bringen lassen. Mit diesem Kniff – unter Fachleuten als »Renormierung« bekannt – gelang es schließlich, die eorie der elektroschwachen Wechselwirkung, welche die elektromagnetische und schwache Kraft zwischen Elementarteilchen unter einen Hut brachte, auf ein solides mathematisches Fundament zu stellen. Für diese Leistungen erhielten ’t Hooft und Veltman 1999 den Nobelpreis für Physik (Spektrum der Wissenschaft, 12/ 1999, S. 18). Auf dem von den beiden Niederländern entwickelten Handwerkszeug baute Wilczek nun in seiner Doktorarbeit auf. Gemeinsam mit Gross gelang es ihm, nicht-abelsche Eichtheorien so umzuformen, dass sie das in den Slac-Experimenten beobachtete Verhalten der starken Wechselwirkung korrekt beschrieben: Die Kraft zwischen den Quarks geht mit abnehmender Distanz gegen null. Diese Eigenschaft nennen die Physiker asymptotische Freiheit. Demnach verhalten sich die Quarks in Protonen und Neutronen bei geringen Abständen (was hohen Energien entspricht) wie freie Teilchen. Entfernen sie sich etwas voneinander, so beginnen sie sich anzuziehen – als seien sie durch ein unsichtbares Gummiband verbunden, das ein zu starkes Auseinanderdriften verhindert und das erschlafft, wenn die Quarks eng beisammen sind. Gross und Wilczek waren allerdings nicht die einzigen, die das Potenzial SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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nicht-abelscher Eichtheorien erkannt hatten. Mehrere Kollegen versuchten ebenfalls, in dem Labyrinth aus verschiedensten eorien die richtige herauszufischen. Ein weiterer Doktorand – H. David Politzer, der nun ebenfalls den Physik-Nobelpreis erhielt – hatte sich an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) derselben eorieklasse zugewandt. Seine Berechnungen lieferten das gleiche Ergebnis wie diejenigen der beiden Fachkollegen in Stanford. Im Juni 1973 erschienen die Artikel von Gross und Wilczek sowie von Politzer in derselben Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift »Physical Review Letters«. Sie bedeuteten einen Durchbruch im Verständnis der Naturkräfte, den das Nobelpreiskomitee nach mehr als dreißig Jahren nun würdigt. Die von den drei Laureaten begründete eorie – heute unter dem Namen Quantenchromodynamik bekannt – bildet ein wesentliches Element des Standardmodells der Teilchenphysik, das alle Grundbausteine der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte in einheitlicher Weise beschreibt. In seiner ausführlichen Begründung erwähnt das Nobelpreiskomitee auch die bedeutenden Vorarbeiten anderer Wissenschaftler. Schon 1970 hatte der Hamburger Physiker Kurt Symanzik herausgefunden, wie das Ergebnis lauten müsse, doch verhedderte er sich in den Wirrungen der eorie. Auch ’t Hooft hatte 1972 auf einer Konferenz in Marseille das richtige Ergebnis skizziert – aber er versäumte es, eine Publikation darüber vorzulegen. Damit bekommen Gross, Wilczek und Politzer den Preis auch, weil sie als Erste kundtaten, im Labyrinth den richtigen Weg gefunden zu haben. Wilczek drückte es einmal so aus: »Die asymptotische Freiheit wartete geradezu darauf, entdeckt zu werden, und wenn wir es nicht getan hätten, wäre der Fortschritt der Physik kaum verzögert worden. Ich möchte nicht zu bescheiden sein – die beiden Davids und ich haben sehr trickreiche Dinge getan und hart gearbeitet. Aber ich hatte stets den Eindruck, dass die Entdeckung in gewisser Weise umgekehrt verlief – und ich bin ewig dankbar dafür, dass die asymptotische Freiheit mich entdeckte.«

Uwe Reichert ist promovierter Physiker und Redakteur bei Spektrum der Wissenschaft.

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Linda Buck vom Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle (Washington) und Richard Axel von der in New York teilen Columbia-Univer ihre Arsich den Medizin-Nobelpreis beiten zur hssinns.

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Für grundlegende Arbeiten zur Aufklärung des Geruchssinns erhielten Linda Buck und Richard Axel den Nobelpreis für Medizin. Wie sie herausfanden, setzt das Gehirn auf Kombinatorik, um die enorme Vielfalt an Duftreizen zu unterscheiden. Von Bernhard Epping

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ie Sensation war vorsichtig formuliert: Es könnte sich um die lang gesuchten Riechrezeptoren handeln, erklärten Richard Axel und Linda Buck 1991 in der Zeitschrift »Cell«. Er war Biochemiker an der Columbia-Universität in New York und sie leitende Mitarbeiterin in seinem Labor. Trotz der vornehmen Zurückhaltung erkannte die Fachwelt in der Publikation sofort einen Meilenstein: Endlich war es gelungen, auch beim letzten Sinnessystem, das sich der forscherischen Neugier noch widersetzt hatte, die molekularen Hintergründe aufzudecken. Gut zehn Jahre später honorierten die Juroren in Stockholm dies nun mit dem Nobelpreis für Medizin oder Physiologie. Auf der Fährte waren viele gewesen. Doch das schmälere nicht die Leistung der jetzt Geehrten, erklärt einer der damaligen Mitkonkurrenten, der Sinnesphysiologe Heinz Breer von der Universität Hohenheim: »Beide sind herausragende Forscher.« Riechen, nur so viel war vorher klar, findet bei Wirbeltieren an einem Stück Schleimhaut in der Nase statt. Dieses gelbliche Epithel ganz oben in der Nasenhöhle bringt es beim Menschen auf etwa fünf Quadratzentimeter Fläche. Auf engstem Raum drängen sich dort rund

Riechkolben

Riechschleimhaut

zehn Millionen spezieller Nervenzellen − fünf Millionen sind es bei der Maus und weit über 100 Millionen beim Dackel. An ihrem einen Ende ragt ein Büschel haarartiger Cilien in die Nasenhöhle, am anderen zieht ein Axon zu den Mitralzellen im dicht darüber gelegenen Riechkolben, einer Art Vorposten des Gehirns. Von dort gelangt die Information zum limbischen System und zum Kortex.

zeptoren ab, die an G-Proteine als Signalwandler gekoppelt sind. Ein sehr »cleverer Dreh« von Buck, wie Axel heute noch lobt, führte in New York zum Erfolg. Statt nach den Rezeptoren selbst fahndeten die Forscher nach den Genen dafür. Und das mussten ihrer Meinung nach solche sein, die ausschließlich im Riechepithel aktiv werden. Zum Glück hatte Kary Mullis 1985 bereits die Polymerasekettenreaktion entwickelt, mit der sich Gene aus Proben fischen lassen, von denen nur kurze Abschnitte bekannt sind. Auf diese Weise gelang es Buck und Axel, bei der Ratte 18 Riechrezeptoren aufzuspüren. Dass das alle wären, glaubten sie allerdings nicht. Sie schätzten die gesamte Genfamilie auf einige hundert Mitglieder. Prinzip Nummer eins des Geruchssinns war damit aufgedeckt: Der Unmenge an Duftstoffen in der Natur – keiner weiß, wie viele es sind, die Lehrbuchzahl von 10000, die allein der Mensch angeblich unterscheiden kann, ist fiktiv – setzen Organismen eine Fülle verschiedener Sensormoleküle entgegen. Fische haben an die hundert, Maus und Ratte über tausend. Nach neuesten Zahlen aus Bucks Arbeitsgruppe am Hutchinson-Krebsforschungszentrum in Seattle (Washington) verfügt der Mensch über genau 339 funktionstüchtige Re-

Antennen für Düfte Ziemlich sicher war man sich Ende der 1980er Jahre auch, dass die Duftstoffe auf den Zellen im Riechepithel in Kontakt mit speziellen »Antennen« treten. Vorarbeiten von Randall R. Reed in Baltimore, Doron Lancet in Rehovot und Breer hatten zudem gezeigt, um welchen Typ von Signalempfängern es sich handelte: so genannte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Diese bilden ein universelles Empfangssystem für Signale, die an der Außenseite der Zelle eintreffen und nach innen geleitet werden sollen. Schon die Plattwürmer arbeiteten vor 800 Millionen Jahren damit. Sehr viele Hormone, Neurotransmitter und Botenstoffe des Immunsystems benutzen es – und Hunderte von Medikamenten wirken darauf ein. Auch der Sehvorgang an den Netzhautzellen und der Geschmack von süß und bitter auf der Zunge laufen über ReBEIDE: PETER MOOMBAERTS, ROCKEFELLER UNIVERSITY NEW YORK

FORSCHUNG AKTUELL

Nobelpreis für Medizin: Riechen als Rechenexempel

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WAHRNEHMUNG

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Riechzellen mit einem bestimmten Rezeptortyp sind wahllos die Riechschleimhaut verteilt, aber ihre Axone enden alle an derselben Stelle im Riechkolben. Das bewies ein Experiment mit genmanipulierten bei denen sich Riechzellen, die einen bestimmten Rezeptor bilden, blau Man sieht, wie blaue Bahnen von verschiedenen Stellen auf der Riechschleimhaut alle zum selben Punkt im Riechkolben ziehen.

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zeptorgene (neben 297 defekten Varianten). Ähnlich viele sind es auch bei Wirbellosen wie der Taufliege und dem Fadenwurm. Je nach Spezies machen sie ein bis drei Prozent des Genoms aus. Damit bilden sie die größte Genfamilie überhaupt, noch vor der für die Immunglobuline oder die T-Zellrezeptoren. Die Komplexität des Geruchssinns schon auf unterster Ebene kontrastiert deutlich mit der Organisation anderer Sinne: Wenige Rezeptoren für Farben – beim Menschen drei – reichen beim Säugetierauge, um die Spektren der Lichtphotonen sauber zu unterscheiden. Die Nase kämpft allerdings, anders als das Auge, mit verwirrend vielfältiger Chemie statt logisch geordneter Physik. Letztlich muss auch sie freilich vor der Unzahl der Duftstoffe kapitulieren. Für jeden einen eigenen Rezeptortyp bereitzuhalten, wäre ein Ding der Unmöglichkeit. Deshalb greift das Riechsystem auf die Kombinatorik zurück. Erst Signale von mehreren Rezeptortypen sind der Code, an dem es einen Duftstoff erkennt. Besonders eindrucksvoll demonstrierte das Team um Linda Buck, die schon 1991 ihren Mentor verlassen und als Asisstant Professor nach Harvard gegangen war, dieses Grundprinzip 1999 an isolierten Riechzellen. Sie konnte zeigen, dass jeder Duftstoff mehrere Rezeptoren aktiviert. Umgekehrt registriert auch jeder Rezeptor eine Reihe von Duftstoffen, wenngleich mit unterschiedlicher Intensität. Der einzelne Sensor fungiert damit eher wie ein Buchstabe in einem Alphabet, mit dem »Duft«Wörter generiert werden.

Anatomie des Geruchssinns Nach 1991 lieferten Axel und Buck unabhängig voneinander auch wichtige Daten zur räumlichen Organisation des Geruchssinns im Gehirn. Demnach stellt jedes Riechneuron nur einen einzigen der vielen Rezeptortypen her. Auf dem Riechepithel herrscht dabei das Prinzip Zufall: Zellen mit unterschiedlichen Rezeptoren liegen bunt gemischt nebeneinander. Sortiert wird hingegen auf der ersten Relaisstation – im Riechkolben. Hier enden die Axone aller Riechsinneszellen mit dem gleichen Rezeptortyp auf ein und demselben Synapsenbündel oder »Glomerulus«, von dem das Signal an bestimmte Mitralzellen weitergeleitet wird. Jeder Geruch aktiviert somit immer ein charakteristisches Muster an SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Nervenzellen im Riechkolben: Dort existiert quasi eine Karte der Gerüche. In der Großhirnrinde setzt sich diese Ordnung offenbar fort. Auch im olfaktorischen Kortex scheinen Düfte über den Ort kodiert zu sein, an dem Nervenzellen aktiviert werden. So landen bei Mäusen, wie Bucks Arbeitsgruppe 2001 berichtete, die Reize von Riechsinneszellen mit ein- und demselben Rezeptor immer in der gleichen Region im Riechhirn. Diese Verarbeitungsstrategie ist von anderen Sinnesleistungen des Gehirns vertraut. Ob Töne, Farben oder Tasteindrücke – bei allen entsteht im Gehirn eine innere Repräsentation der Außenwelt. So gibt es im somatosensorischen Kortex eine Karte für Tastreize von der Körperoberfläche, welche die räumlichen Beziehungen im Körper exakt, wenn auch in den Proportionen verzerrt widerspiegelt: den berühmten Homunculus. Da Gerüche die Außenwelt aber nicht im geometrischen Sinne abbilden, dienen die festgelegten Verarbeitungsrouten in diesem Fall nur zur Identifikation des Reizes und nicht zu seiner Lokalisierung. Offene Fragen gibt es noch genug. So sind bisher nur für ganz wenige Rezeptoren die zugehörigen Duftstoffe identifiziert. Ein methodisches Haupthindernis ist die notorisch schwierige Kultivierung von Riechneuronen – eine Eigenschaft, die sie mit anderen Nervenzellen teilen. Was bleibt, ist das langwierige Einschleusen von Genen für die Riechrezeptoren in etablierte Zellkulturen. Offen ist auch, warum und wie nur ein Rezeptor pro Zelle entsteht. Zwar gibt es eine Parallele beim Immunsystem. Dort generieren die Lymphozyten gleichfalls nach dem Zufallsprinzip nur jeweils einen unter Millionen unterschiedlicher Antikörper. Ursache dafür ist die Rekombination von DNA unter Verlust von genetischem Material. Bei den Riechzellen scheidet dieser Mechanismus jedoch aus, wie Axels Arbeitsgruppe zusammen mit dem Team von Rudolf Jaenisch am Whitehead-Institut für Biomedizinische Forschung in Cambridge (Massachusetts) sowie Peter Mombaerts an der Rockefeller-Universität in New York Anfang dieses Jahres zeigten. Mäuse, die aus differenzierten Riechneuronen geklont werden, bilden nämlich wieder alle Rezeptorproteine. Bei der Spezialisierung auf nur ein Genprodukt gehen also keine Sequenzen verloren. Vielmehr scheint das in einer Zelle gebildete Rezeptorpro-

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Unrecht, als sie meinten, Riechrezeptoren gäbe es nur auf dem Riechepithel. Mittlerweile sind einige auch im autonomen Nervensystem und sogar in Spermien identifiziert worden.

Hilflos bei Riechstörungen

Dass die Erkenntnisse der Grundlagenforscher neue erapien gegen Riechstörungen liefern könnten, ist derzeit noch eine ziemlich theoretische Option. Dringend nötig wären sie. Die Zahl der Betroffenen geht allein in Deutschland in die Millionen: Tumore, Unfälle oder

Wie wir riechen Ein Duft besteht meist aus mehreren flüchtigen Substanzen, die in der Riechschleimhaut ganz oben in der Nase auf molekulare Rezeptoren treffen. Diese sitzen auf haarartigen Cilienbüscheln an der Spitze der Riechzellen. Jede solche Zelle verfügt über nur einen Rezeptortyp, der ausschließlich bestimmte Duftmoleküle bindet. Wenn das geschieht, sendet sie über ihr faserartiges Axon ein

elektrisches Signal in den direkt darüber gelegenen Riechkolben. Alle Axone von Sinneszellen mit demselben Rezeptortyp enden dort jeweils an der gleichen Schaltstelle, einem als Glomerulus bezeichneten Synapsenbündel. Von dieser Schaltstelle gelangt das Signal dann über so genannte Mitralzellen in höhere Hirnregionen. Ein Duftmolekül aktiviert jeweils ein bestimmtes Sortiment von Rezeptortypen mehr oder weniger stark und wird an diesem typischen Muster vom Gehirn erkannt.

Riechkolben

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Mitralzellen

4. Die Signale werden an höhere Hirnregionen weitergeleitet

Glomerulus 3. Glomeruli dienen als Schaltstelle für die Signale

Knochen

Nasenschleimhaut 2. Riechzellen werden aktiviert und senden elektrische Signale

Riechzellen

KAROLINSKA-INSTITUT STOCKHOLM

FORSCHUNG AKTUELL

tein selbst aktiv alle anderen Rezeptorgene abzuschalten, wie Teams um Reed und Hitoshi Sakano von der Universität Tokio belegen. Ein Rätsel ist schließlich noch, wie die richtige Verschaltung von Riechneuronen mit nur einigen Nervenzellgruppen im Riechkolben zu Stande kommt. Eine Rolle könnten dabei wiederum die Rezeptoren spielen. Sie kommen nämlich, wie Forscher um Axel und Breer dieses Jahr unabhängig voneinander gezeigt haben, auch in den Axonen der Zellen vor. Ohnehin hatten die Nobelpreisträger

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Geruchsrezeptor

1. Duftstoffe binden sich an Rezeptoren

Entzündungen können den Riechnerv schädigen oder auch die Sinneszellen direkt in Mitleidenschaft ziehen. Mitunter bleibt der Geruchssinn nach einem banalen Schnupfen auf Dauer weg. »Warum, wissen wir letztlich nicht«, gesteht Michael Damm von der HNO-Klinik der Universität Köln. Zwar gehören die Nervenzellen im Riechepithel zu den wenigen, die sich ein Leben lang erneuern. Aber offenkundig ist auch ihre Regenerationsfähigkeit begrenzt. Bei der Suche nach Medikamenten gegen Riechstörungen regiert der blinde Zufall. Noch am ehesten helfen Corticosteroide. Zwar wird auch ein breites Arsenal anderer Mittel eingesetzt: Vitamine, Antibiotika und Zinksulfat etwa. »Das geschieht aber meist auf rein empirischer Grundlage«, moniert Damm. »Wir brauchen dringend gesicherte Konzepte.« Linda Buck, Jahrgang 1947, arbeitet heute wieder in ihrem Heimatort: am Fred Hutchinson Cancer Research Center und der Universität von Washington in Seattle. Der Preis an sie solle auch eine Ermutigung für Frauen sein, in der Wissenschaft ihren Weg zu gehen, meinte sie, kurz nachdem sie von der Nachricht aus Stockholm erfahren hatte. Richard Axel, 1946 in New York geboren, hat seine wissenschaftliche Karriere an der Columbia-Universität gemacht. In Vorträgen erklärt er gerne, dass er den Doktor der Medizin nur erhalten habe, weil er das Versprechen abgab, niemals an lebenden Patienten zu praktizieren. Und die Pathologen, bei denen er sich dann umtat, rangen ihm die Zusage ab, auch von toten Menschen die Finger zu lassen. Da blieb nicht viel übrig. Axel gehört zu den Forschern, die Grundlagen der gentechnischen Transformation von Zellen entwickelt und den CD4-Rezeptor identifiziert haben, über den das Aidsvirus menschliche Zellen infiziert. Außerdem hat er über Mechanismen der Krebsentstehung gearbeitet. Etliche derer, die heute Rang und Namen in der Riechforschung haben, sind durch sein Labor gegangen. Konkurrenz zu ehemaligen Mitarbeitern? Nein, das würde er so nicht sagen, ganz und gar nicht, beschied er eine neugierige Reporterin. In der Wissenschaft müsse man Spaß am Forschungsprozess selbst haben, weniger am Ergebnis.

Air with odorant molecules Luft mit Duftmolekülen

Bernhard Epping ist promovierter Biologe und freier Wissenschaftsjournalist in Tübingen. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Das antike Reich des Bösen?

Eine solche »Luftaufnahme« des karthagischen Hafens wäre Rom wohl viel Geld wert gewesen, bestätigte es doch die Gerüchte, wonach sich an den Handelsbereich ein gewaltiger, kreisförmiger Kriegshafen anschloss.

EDITION ERRANCE / AQUARELL VON JEAN-CLAUDE GOLVIN

Karthago

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Eine dreifache Mauer sc Karthago mit seiner Vorstadt (Megara) und dem Burgberg (Byrsa) vor Angriffen von der Landseite.

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Die Fürsten der Meere Karthagos Wurzeln lagen an der Küste der Levante, also dem heutigen Libanon und Teilen Israels. Als die damaligen Supermächte Ägypten und das Reich der Hethiter an Kraft und Einfluss verloren, nutzte eine Hand voll phönizischer Stadtstaaten um 1000 v. Chr. die Gunst der Stunde zur Expansion ins westliche Mittelmeer (Punier ist die latinisierte Form des Wortes Phönizier). Auf der Suche nach neuen Märkten und Rohstoffen errichteten die »Fürsten des Meeres« (Altes Testament, Buch Ezechiel) dort ein engmaschiges Netz von Handelsstützpunkten. Im Rahmen dieser Westkolonisation gründeten Händler der alten und mächtigen phönizischen Stadt Tyros (heute: Sur) um 814 v. Chr. in der heutigen Bucht von Tunis eine Siedlung. Der griechische Geschichtsschreiber Herodot (etwa 484 – 430 v. Chr.) nannte seine Bewohner daher »Kinder der Tyrer«. Der Ort erhielt den Namen Qrt Hdšt, »Neue Stadt«, von den Römern Karthago genannt. Unter den Neuankömmlingen aus dem Osten befand sich der Legende nach auch Dido, die Tochter des tyrischen Königs Mutto. Der Bruder Pygmalion hatte ihren Mann aus Habgier erschlagen, woraufhin Dido mit ihren Reichtümern nach Afrika geflohen war.

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och schlugen die Flammen und über der Stadt lag Leichengeruch. Seit sechs Tagen eroberten römische Legionäre nun schon das verhasste Karthago Straße um Straße, plünderten und töteten die Punier. Nun holten sie zum letzten Schlag aus und erstürmten den Burgberg. Dort hatten sich 900 Krieger im Tempel Ešmūns verschanzt, des Schutzgottes der Stadt. Gegen die römische Militärmaschinerie mit ihren Sturmleitern, Rammböcken und Katapulten waren diese Kämpfer ohne Chance: Im April 146 v. Chr. steckten sie am siebten Tage der Schlacht ihren Zufluchtsort selbst in Brand, um der Schmach einer Gefangenschaft zu entgehen. Rom hatte gesiegt, tausende Einwohner und Soldaten waren gefallen oder in die Sklaverei verschleppt worden. Der siegreiche Feldherr Publius Cornelius Scipio Aemilianus, Oberkommandierender in diesem dritten und letzten Krieg gegen die Punier, soll beim Anblick der brennenden Stadt geweint haben. Das berichtete der griechische Historiker Diodor von Sizilien (1. Jahrhundert v. Chr.). Doch nicht Mitgefühl mit den Besiegten rührte den Konsul, sondern die Sorge, Rom könne eines Tages das gleiche Schicksal erleiden. Kein Stein blieb auf dem anderen, die gesamte Stadt wurde dem Erdboden gleichgemacht. Sämtliches Schriftgut fiel der Vernichtung anheim, lediglich einige brauchbar erscheinende Werke zur Landwirtschaft wie die des Agrarexperten Mago fanden ihren Weg nach Rom – das Imperium tilgte jede Spur seines Kontrahenten. Mehr als hundert Jahre lang erinnerte nur ein Trümmerfeld an die einstige Metropole, dann ließ Kaiser Augustus auch diese Erinnerung löschen: Auf dem eingeebneten Gelände entstand die römische Siedlung Carthago Iulia Nova. Was war der Grund für das rigorose Vorgehen der Römer? Und wer waren

die Punier wirklich? Lange Zeit mussten Historiker zwischen den Zeilen römischer Texte lesen, um diesen Fragen nachzugehen. Erst 1974 begannen Wissenschaftler aus zehn Ländern unter dem Patronat der Unesco die antike Handelsmetropole auszugraben. In neun Meter Tiefe fanden die Archäologen die Relikte einer Kultur, die führend in der Metallverarbeitung gewesen war und neue Maßstäbe in der Navigation gesetzt hatte: eine Stadt der Seefahrer und Händler. Eine Ausstellung im Badischen Landesmuseum in Karlsruhe präsentiert derzeit einen Überblick über den neuesten Stand der Forschung.

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Von Theodor Kissel

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deutschen Künstler und Schriftsteller«, 1951

Dort erhielt sie vom libyschen König Hiarbas die Erlaubnis, so viel Land zu kaufen, wie eine Stierhaut umfasste. Dido schnitt das Fell in feine Streifen und umspannte ein Gelände, auf dem sie die Burg Byrsa (griechisch für »Fell«) errichtete. Kurze Zeit später, so der römische Dichter Vergil (70 – 19 v. Chr.), soll dort auch der mythische Aeneas nach seiner Flucht aus dem brennenden Troja angekommen sein. Dido verliebte sich in ihn, doch seinem von den Göttern bestimmten Schicksal folgend brach der Held wieder auf und begründete das spätere Volk der Römer. Die Verschmähte beging Selbstmord. Diese poetische Fiktion nahm die spätere Feindschaft zwischen Rom und Karthago vorweg. Tatsächlich vermittelt der ausführlichste Bericht über die Gründung Karthagos, der des römischen Historikers Iustin (3. Jh. v. Chr.), eine ganz andere Version. Danach habe sich Dido der drohenden Heirat mit Hiarbas durch Selbstverbrennung entzogen, um – wie man interpretierend folgern darf – mit diesem Opfer der von ihr gegründeten Stadt Segen und Wohlergehen zu sichern. Die reale Stadt wuchs schnell zu einer bedeutenden Macht heran. Nach neuesten archäologischen Untersuchungen erstreckte sie sich zum Zeitpunkt ihrer größten Ausdehnung (3./2. Jh. v. Chr.) auf einer Fläche von über 50 Hek-

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»Das große Karthago führte drei Kriege. Es war noch mächtig nach dem ersten, noch bewohnbar nach dem zweiten. Es war nicht mehr auffindbar nach dem dritten« Bertolt Brecht: »Offener Brief an die

Militärhafen Handelshafen Mole

See von Tunis Karthago Tunis

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tar. Insgesamt 700 000 Menschen sollen dem griechischen Geografen Strabon (64 v. – 19 n. Chr.) zufolge dort gelebt haben. Karthago lag strategisch günstig auf einer in den Golf von Tunis hineinragenden Landzunge, die durch einen schmalen Isthmus mit dem Festland verbunden war. Riesige Befestigungsmauern umgaben die Stadt, sowohl an den Seeseiten als auch an der Landverbindung (siehe Karte vorige Seite). Dort schützten zusätzlich drei Mauergürtel von 15 Meter Höhe die Stadt. Alle 60 Meter reckte sich ein vierstöckiger Turm in die Höhe, wusste überdies der griechische Historiker Appian (geb. um 100 n. Chr.) zu berichten. Jede Mauer gliederte sich in zwei Stockwerke: Im unteren lagen Ställe für 300 Elefanten mitsamt den Lagerräumen für die Futtervorräte, darüber dann die Ställe für insgesamt 4000 Pferde sowie Magazine für Heu und Gerste. Ferner befanden sich in den Mauern Unterkünfte für 20 000 Fußsoldaten und 4000 Reiter.

Die geheime Flotte Auf den in der zeitgenössischen Literatur oft beschworenen »gewaltigen Mauern« (ingentia moenia) stand ein Großteil der insgesamt 7000 Katapulte, die Karthago 146 v. Chr. den Römern ausliefern musste. Außerdem patrouillierten dort Wachsoldaten. Die Archäologen fanden gewaltige, abgerundete Zinnen, die Schutz vor feindlichen Bogenschützen boten. Derart gesichert lag im Innern der Wehranlage der Burgberg Byrsa, die

Die Farbe Blau stand im Ruf, Widrigkeiten abzuwehren. Diese Form der Glasamulette te zu den Exportschlagern der Punierstadt.

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schwinden lassen. Nach Appian lagen in seinen Schiffshäusern bis zu 220 Penteren vor Anker, Großkampfschiffe mit fünf Ruderreihen, die von Rampen aus in Rekordzeit zu Wasser gelassen werden konnten. Bei Grabungen auf der so genannten Admiralitätsinsel im Zentrum des Kriegshafens fand man Spuren von Trockendocks und dreißig Meter langen Rampen, auf denen die Karthager einst ihre Schiffe reparierten. Auf diesen Galeeren, ihren trainierten Ruderern und den nautischen Fähigkeiten ihrer Kapitäne gründete Karthagos beherrschende Stellung im Mittelmeer. Zeitgenossen rühmten Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit dieser Kriegsschiffe. Damit stiessen die wagemutigen Seefahrer in unbekannte Gewässer vor. Sehr wahrscheinlich erreichten sie Britannien und die Küste des heutigen Kamerun. Dorthin gelangte im 5. Jahrhundert v. Chr. ihr Admiral Hanno, der mit einer Flotte von sechzig Schiffen die westafrikanische Küste um-

BADISCHES LANDESMUSEUM KARLSRUHE

KARTHAGO

weiträumige Vorstadt Megara und die Unterstadt, wo im 2. Jahrhundert v. Chr. der Kothon gebaut worden war, die Machtbasis des punischen Imperiums (siehe Rekonstruktion Seite 26). Dieser Doppelhafen war eine meisterhafte Ingenieurleistung: Vom Meer aus gelangten Schiffe durch eine etwa zwanzig Meter breite Einfahrt, die durch eine eiserne Kette zu schließen war, zunächst in den lang gestreckten Handelshafen. Dahinter, von hohen Mauern abgeschirmt, lag der kreisförmige Kriegshafen, die Flottenbasis der punischen Armada und Karthagos bestgehütetes Geheimnis. Griechische und römische Geschichtsschreiber wussten über ihn manch Wundersames zu berichten. Sie behaupteten, der Kothon könne binnen kürzester Zeit ganze Flotten ausspeien und wieder ver-

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EMDE-GRAFIK NACH: RANGER-DESIGN / JÜRGEN KAISER, UNIVERSITÄT KARLSRUHE

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Schwarzes Meer

segelte. Sein Reisebericht, in einer griechischen Abschrift aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. ist das einzig erhaltene Schriftstück dieser großen Kultur. Um 700 v. Chr. begannen sich die phönizischen Niederlassungen von der jeweiligen Mutterstadt zu emanzipieren. Allen voran Karthago, wo ein merkantiler Adel anstelle der bislang regierenden tyrenischen Beamten die Herrschaft übernahm. Aristokratisch-oligarchische Verfassungsstrukturen bildeten sich heraus, ähnlich wie in Rom. An der Spitze des Staates standen nun zwei von der Volksversammlung auf Jahresfrist gewählte Oberbeamte (Sufeten), die die karthagischen Belange nach außen hin vertraten. Wichtiger für die Gestaltung der Politik war der aus dreihundert Mitgliedern der herrschenden Klasse bestehende Rat oder Senat, in dem wiederum ein Rat der Dreißig den Vorsitz führte. Daneben gab es den Staatsgerichtshof der Hundertvier, der über die Einhaltung der Verfassung wachte und vor dem die Beamten Rechenschaft ablegen mussten. Das souveräne Karthago gründete nun selbst Kolonien, im 7. Jahrhundert v. Chr. die Apoikie (griechisch: »fern von zu Hause«) Tharros an der Westküste Sardiniens und Ebusos auf Ibiza. Beide Pflanzstädte gaben die Stoßrichtung weiterer Niederlassungen vor: In Spanien lockten reiche Gold-, Silber- und Eisenvorkommen. Die »Kinder der Tyrer« knüpften im Lauf der Zeit ein engmaschiges Netz küstennaher Handelsniederlassungen, das den gesamten westlichen Mittelmeerraum überzog – sie waren die ersten Global Player der Weltgeschichte. Ihr Aktionsradius reichte von der Großen Syrte im heutigen Libyen bis zu den Säulen des Herakles an der Meerenge von Gibraltar, von Gades (Cadíz) am Atlantik über die Balearen, Sardinien und Sizilien bis nach Anatolien. Unterwasserarchäologen rekonstruieren die Handelsrouten anhand von Wracks und Amphoren, den Standardtransportbehältern für Wein, Öl und Getreide, die zu tausenden auf dem Meeresgrund liegen. Angesichts der Anzahl dieser Funde mag es nicht verwundern, dass die Karthager eine florierende Handelsmetropole und ein hoch entwickeltes Wirtschaftsimperium errichteten. Als Kaufleute waren die Punier so geschickt, dass der römische Gelehrte Plinius (23 – 79 n. Chr.) ihnen gar die Erfindung des Handels zuschrieb. Die mit allen Wassern geSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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waschenen Punier haben laut Homer sogar den listenreichen Odysseus hinters Licht geführt. Überdies galten die Karthager auch als begnadete Handwerker. Produkte made in Karthago waren in der Antike heiß begehrt. Purpurstoffe, eingefärbt mit dem Farbstoff einer Meeresschnecke gehörten schon in der alten Heimat an der Levanteküste zu den Exportschlagern. Diesem begehrten Färbemittel verdanken die Phönizier auch ihren Namen: Phoinikes bedeutet im Griechischen »die roten Menschen«.

Meister der Metalle Ebenfalls hoch im Kurs standen Elfenbeinarbeiten, wie etwa Kämme, Statuetten oder Reliefintarsien. Zudem verstanden sich die Karthager auf die Kunst der Glasherstellung. Einen hohen Ruf hatte ihre meisterhafte Verarbeitung von Metallen, ob Gold, Silber oder Eisen. Ein belgisch-tunesisches Forscherteam unter der Leitung des holländischen Archäologen Roald Docter förderte in einer riesigen Metallverarbeitungsstätte Erstaunliches zu Tage. Computertomografien der

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Der Zug des Feldherrn Hannibal die Alpen brachte das karthagische Heer vor die Tore Roms – ein Albtraum, von dem sich die Tiberstadt nie ganz erholte.

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jahrtausendealten Blasebälge verrieten, dass die Einlassventile, die den Luftstrom in die Feuerstellen regulierten, einen sehr hohen Anteil an Kalk enthielten. Die Fachleute vermuten, dass bei der Eisenverarbeitung Kalk zugemischt wurde, um Verunreinigungen aus Erz zu neutralisieren. Ein derart ausgetüfteltes Verfahren zur Produktion hochwertigen Eisens wurde erst wieder im 19. Jahrhundert entwickelt. In der jüngsten Grabungskampagne fanden Docters Mitarbeiter dann auch die Quelle des Zusatzstoffes: Muschelkalk aus den Gehäusen der Farbstoff liefernden Meeresschnecke. Wie gut die Punier ihre Wertschöpfungsketten organisierten, unterstreicht auch die Ladung eines um 1970 bei Rochelongues (nahe 29

KARTHAGO

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Wie mahnende Finger ragen am Tophet von Karthago, einem heiligen Bezirk, hunderte steinerner Votivstelen aus der Erde, V htnisse einer haften Kultur, unter denen einst die sterblichen Reste der karthagischen Kinder in Tonurnen beigesetzt wurden.

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MUSÉE NATIONAL DE CARTHAGE

Marseille) vor der Küste gefundenen Schiffswracks: Barren, Waffen und andere metallene Objekte sprechen für die systematische Verwertung von Altmetall am Ende des 7. Jahrhunderts v. Chr. in Karthago. Wenige Jahrzehnte später wurde die Wirtschaftsmacht mit einem neuen Konkurrenten konfrontiert: Um die Mitte des 8. Jahrhunderts v. Chr. strömten Tausende von Siedlern aus den griechischen Stadtstaaten nach Westen – eine der größten Migrationsbewegungen der Antike. Ihr Motiv: Die wachsende Bevölkerung im Mutterland konnte nicht mehr ausreichend ernährt werden, neue Ressourcen waren erforderlich. Der Wettlauf um die besten Siedlungsplätze des westlichen Mittelmeers konzentrierte sich auf Sizilien – die Insel war nicht nur enorm fruchtbar, dort kreuzten sich West-OstVerbindungen und Handelsrouten zwischen Afrika und Europa. Anfänglich lebten karthagische und griechische Sied-

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ler friedlich miteinander, da beide Kulturen unterschiedliche Interessen verfolgten: Erstere begnügten sich meist mit einem schmalen Küstenstreifen, an dem sie zur Sicherung der Schifffahrtswege Handelsstützpunkte anlegten, während bei den griechischen Kolonisten die Erschließung landwirtschaftlicher Nutzflächen im Vordergrund stand. Doch dann, um die Mitte des 6. Jahrhunderts v. Chr., erreichten immer mehr griechische Siedler die Küsten Siziliens und beanspruchten Ackerland.

Der Stein des Anstoßes Der Konflikt eskalierte und aus Spannungen wurde Gewalt. Pausanias (2. Jahrhundert v. Chr.), der Baedeker der Antike, berichtete von verheerenden Kriegen. An die Spitze der Gegner Karthagos stellten sich die Tyrannen von Syrakus. Ekbarbarosis, Vertreibung der Punier von der Insel, lautete ihre Parole, mit der sie vordergründig in die Rolle eines Vorkämpfers für die Sache der Griechen schlüpften. Doch die fremdenfeindliche Politik vermochte Karthagos Position auf Sizilien nicht zu erschüttern. Dies änderte sich jedoch schlagartig, als im 3. Jahrhundert v. Chr. die Militärmacht Rom auf den Plan trat, die gerade ihren Herrschaftsbereich bis zur Südspitze Italiens ausgedehnt hatte. Rom und Karthago waren sich bedrohlich nahe gekommen, nur ein schmaler Wasserstreifen, die Meerenge von Messina, trennte jetzt noch beide Mächte. Ein lokaler Konflikt löste schließlich den 1. Punischen Krieg (264 – 241 v. Chr.) aus. Syrakus versuchte die Grie-

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Der »Sarkophag einer Priesterin« aus dem 4. Jahrhundert v. Chr. bezeugt den kosmopolitischen Charakter Karthagos: Kopf- und Halsschmuck sind h, das Gewand griechisch.

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chensiedlung Messana von der Fremdherrschaft ehemaliger kampanischer Söldner zu befreien. Diese sich selbst hochtrabend als Mamertiner, Söhne des Mars, bezeichnenden Landsknechte richteten sowohl an Karthago als auch an Rom ein Hilfegesuch. Sie gaben damit den Startschuss für das welthistorische Ringen zwischen Rom und Karthago, das die antike Welt mehr als hundert Jahre in Atem hielt. Denn beide sahen sich genötigt, Truppen zu entsenden: Die Römer befürchteten, dass bei einem Erfolg Syrakus’ über die Mamertiner die unteritalischen Griechenstädte zu neuem Selbstbewusstsein finden und gegen die römische Vorherrschaft aufbegehren könnten. Karthago seinerseits war zunächst vor allem bemüht, das Vormachtsstreben der Tyrannen von Syrakus zu bremsen, sah dann aber durch die römische Intervention seine eigenen Interessen auf Sizilien ernsthaft gefährdet. Der Krieg entbrannte zwar auf und vor Sizilien, in Wirklichkeit ging es aber um die Vorherrschaft im westlichen Mittelmeer. Und da für beide Seiten der Bestand ihrer Machtstellung auf dem Spiel stand, entbrannte ein langwieriger und verlustreicher Kampf, ein Kräftemessen mit wechselseitigem Erfolg und überraschenden Wendungen. So waren die Römer erfahren im Kampf zu Lande, doch den Rammsporen der punischen Galeeren hatten sie zunächst wenig entgegenzusetzen. Umso überraschender war der Sieg Roms über die karthagische Flotte bei Mylae 260 v. Chr. Doch die Ingenieure der Tiberstadt zeichneten sich schon damals durch große Lernfähigkeit und Pragmatismus aus. Eine vor der Küste Siziliens gestrandete punische Triere diente laut Polybios (etwa 200 – 120 v. Chr.) als Modell für die römischen Schiffe. Ein solches Fahrzeug entdeckte 1970 der britische Meeresarchäologe Hugh Frost vor der sizilianischen Küste (in der SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Karte Seite 28 zwischen Selinus und Motye). Bei der Bergung des Wracks entdeckte er, dass die Planken durchnummeriert waren, was auf eine Serienproduktion mit vorfabrizierten Teilen hindeutet. Karthago vermochte dadurch seinen Flottenbestand schnell aufzubauen, doch Rom hielt nun einen kompletten Konstruktionsplan in der Hand, der den Nachbau ungemein erleichterte. Auch wie die Punier ihr Holz bearbeiteten und mit Zapfen zusammenfügten, fanden die Gegner anhand der Anschauungsobjekte heraus. Doch die Römer übernahmen nicht nur fremdes Wissen, sie erwiesen sich auch als innovative Baumeister und statteten ihre Schiffe mit acht Meter langen Enterbrücken aus. Polybios beschrieb detailliert ihre Funktion: An einem Mast hochgezogen, konnten sie mit einer Seilvorrichtung katapultartig auf ein feindliches Schiff geschleudert werden. Dort bohrte sich ein eiserner Dorn in die Planken, der einem Rabenschnabel glich (deshalb die Bezeichnung corvus, lateinisch »Rabe«). Nun stürmten die Legionäre das Schiff und führten dort den bewährten Kampf Mann gegen Mann. Das war ein Bruch mit der traditionellen Seekriegsstrategie »Rammen, Abrasieren der

Ruderstangen und Versenken durch Feuerbrände«. An Bord der karthagischen Galeeren gab es kaum bewaffnete Kräfte, so dass die Römer bei Mylae obsiegten. Doch kriegsentscheidend war ihre Entwicklung, war diese Schlacht nicht, denn die schweren Enterbrücken hatten einen entscheidenden Nachteil: Bei unruhiger See rissen sie sich aus ihrer Verankerung und besiegelten ein ums andere Mal das Schicksal ganzer Flotten.

Die Hydra Rom So kämpften Römer und Karthager dreiundzwanzig Jahre lang zu Lande und zu Wasser. Dank ihrer immensen Wehrkraft hatten die Römer am Ende den längeren Atem. Durch die Kontingente ihrer Bundesgenossen besaßen sie ein größeres Rekrutierungspotenzial an militärisch einsatzfähigen Menschen als Karthago, das seine Verluste immer stärker mit Söldnern ausgleichen musste. Diese waren zudem teuer und nur begrenzt zuverlässig, während die römisch-italische Miliz billig, diszipliniert und, von wenigen Ausnahmen abgesehen, treu war. Rom ging aus dem 1. Punischen Krieg als Sieger hervor, weil es seine Verluste an Mensch und Material schneller auszugleichen vermochte. Kineas, der

Minister des epirotischen Königs Pyrrhos, verglich Rom mit einer Hydra, der drei Köpfe nachwuchsen, wenn man ihr einen abschlug. Karthago musste 241 v. Chr. aufgeben. Die Bedingungen der Sieger waren demütigend. In den nach dem erfolgreichen Feldherrn benannten Lutatius-Vertrag trat es Sizilien an Rom ab und verpflichtete sich zu Reparationen von fast 95 000 Kilogramm Silber. Damit war der Kampf um die Vorherrschaft über das westliche Mittelmeer vorerst beendet. Mit dem Verlust Siziliens, dem geostrategischen Brückenkopf zwischen Europa und Afrika, hatten sich die Gewichte im westlichen Mittelmeerraum zu Gunsten Roms verschoben. Schonungslos nutzten die Sieger Karthagos Schwäche aus und annektierten 238 v. Chr. Sardinien. Die Empörung über diese rücksichtslose Politik führte in Karthago zu einem Kurswechsel. Militärs gewannen jetzt die Oberhand. Allen voran der Familienclan der Barkiden, an ihrer Spitze Hamilkar mit dem Beinamen Barkas, »der Blitz«, der von Rom im Felde unbesiegte General. An der Spitze seines Heeres schiffte er sich im Frühjahr 237 v. Chr. zusammen mit seinem Schwiegersohn Hasdrubal und seinem ältesten

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Modell einer hen Pentekontere. Dieses Kriegsschiff aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. hatte auf jeder Seite 50 R in zwei versetzt angeordneten Reihen.

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Dieser Brustpanzer aus dem 4./3. Jahrhundert v. Chr. sc kte vermutlich einst einen Offizier in karthagischen Diensten. Hergestellt wurde die prachtv

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Sohn Hannibal nach Spanien ein. Vorrangiges Ziel seiner Mission war die Schaffung einer neuen territorialen und materiellen Machtbasis. Die Iberische Halbinsel bot beides, reiche Silberbergwerke und ein weites Land außerhalb des römischen Interessengebiets. Dank ihrer energischen Politik gelang es den Barkiden, Karthagos Einflussbereich in Spanien kontinuierlich auszubauen. Zum Zentrum ihrer Macht avancierte das »Neue Karthago« (lateinisch Carthago Nova), das heutige Cartagena. Wohlstand ermöglichte eine rasche Wiederaufrüstung und innerhalb weniger Jahre war Roms Kontrahent genesen. Das Wetterleuchten des Kriegs kam näher, seit Hannibal, ein ebenso energischer wie genialer Feldherr, 221 v. Chr. den Oberbefehl über die karthagischen Truppen in Spanien übernommen hatte. Beherzt trat er den Feinden entgegen, die die karthagische Herrschaft in Spanien regional zu begrenzen trachteten. Mit seinem Überfall auf die mit Rom verbündete Stadt Saguntum löste Hannibal den Zweiten Punischen Krieg (218 – 201 v. Chr.) aus. Der »denkwürdigste aller Kriege«, so der römische Historiker Livius (59 v. Chr. – 17 n. Chr.), begann mit einem 32

Paukenschlag. In nur fünfzehn Tagen überschritt ein 34 000 Mann starkes Heer mit Zugtieren, Pferden und Elefanten die Alpen und erschien für die Römer völlig überraschend in der Po-Ebene. Hannibal hatte aus den Fehlern der Vergangenheit gelernt und den Krieg nach Italien getragen. Trotz zahlenmäßiger Unterlegenheit blieb er in mehreren Schlachten Sieger. Bei Cannae brachte Hannibal seinem Gegner schließlich eine empfindliche Niederlage bei, die für die Römer zum nationalen Trauma wurde. Einige Militärhistoriker meinen, dass vor allem die numidischen Reiter den entscheidenden Vorteil brachten, denn auf ihren gedrungenen Pferden konnten sie äußerst wendig agieren und die römischen Legionen in die Zange nehmen. Die Elefanten hingegen werden heute nicht mehr als schlachtentscheidend angesehen.

Hannibals taktischer Fehler 70 000 römische Soldaten fanden den Tod – die Legionen waren vernichtet, Rom stand wehrlos da. Doch statt die Hauptstadt des Gegners einzunehmen, führte der Punier sein Heer nach Campanien, um Roms Bundesgenossen auf seine Seite zu bringen. »Zu siegen verstehst du Hannibal, den Sieg auszunutzen verstehst

du nicht«, soll sein Reiterführer Maharbal laut Livius ausgerufen haben. Doch das dürfte wohl Propaganda sein. Tatsächlich gilt heute als wahrscheinlicher, dass Hannibal niemals vorhatte, Rom zu erobern. Denn dafür fehlten ihm die notwendigen Belagerungsmaschinen und logistischen Mittel. Aus den Erfahrungen des 1. Punischen Krieges hatte er zudem richtig erkannt, dass Roms Macht auf einem Bündnissystem beruhte. Es war aber ein fataler Irrtum zu glauben, dass er es nun aushebeln könnte. Den Römern verschaffte diese Strategie Zeit, ihr Heer zu reformieren. Die Legionen wurden in kleinere operative Einheiten (Manipel) unterteilt, die selbstständiger agieren konnten. Die Römer vermieden in der Folgezeit größere Kampfhandlungen und igelten sich in befestigten Plätzen ein. Während Hannibal kaum Nachschub erhielt und Verluste nur schwer ausgleichen konnte, trieben die Römer den Krieg wieder aus Italien hinaus: Der Konsul Publius Cornelius Scipio drängte die Punier ab 210 v. Chr. in Spanien zurück, sechs Jahre später landete er in Nordafrika. Hannibal war gezwungen Italien zu verlassen. In der Schlacht bei Zama, unweit des heutigen Sidi Jussef, verließ ihn 202 v. Chr. endgültig sein Feldherrnglück. Dank der Beweglichkeit der reorganisierten Legionen konnte Scipio das karthagische Heer schlagen. Die Friedensbedingungen, die er den Puniern diktierte, waren hart: Verzicht auf alle außerafrikanischen Besitzungen, 10 000 Talente (430 000 Kilogramm Silber) Reparationen und – im Kriegsfall Waffenhilfe für Rom. Ferner durften sie außerhalb Afrikas überhaupt nicht, in Afrika nur mit Zustimmung Roms Krieg führen. Karthago war keine souveräne Großmacht mehr. Um seinen Stolz und seine Macht endgültig zu brechen, ließen die Römer die punische Flotte überdies in Flammen aufgehen. Doch einigen Hardlinern ging das noch nicht weit genug, sie fürchteten ein Wiedererstarken der Stadt. Nicht ganz zu Unrecht, ist der eingangs geschilderte SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Ceterum censeo ... Der Krieg verlief zunächst sehr schleppend. Zwei Jahre lang rannten die römischen Belagerer vergebens gegen das karthagische Bollwerk an. Erst mit Scipio wendete sich das Blatt. Zunächst stellte er die Disziplin der Truppen wieder her. Zur Landseite ließ er dann die Stadt durch eine doppelte Befestigung abgeriegeln, ferner die Hafeneinfahrt durch einen Steindamm sperren, eine eilig aufgestellte Flotte der Karthager ausschalten und schließlich den Außenkai des Handelshafens besetzen. Dann wandte sich Scipio gegen die letzten Stützpunkte der Karthager im Landesinnern. Im Frühjahr 146 v. Chr. setzten seine Truppen zum entscheidenden Sturm an. Die Katastrophe von Cannae und die langjährige Anwesenheit eines feindlichen Heeres im eigenen Land hatten die Römer traumatisiert. Eine aus heutiger Sicht irrationale Angst vor einer Wiederholung der Geschichte besiegelte den Untergang Karthagos. Der Rauch über den Trümmern war noch nicht verzogen, da beganSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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nen die Römer bereits an einer Legende zu stricken. Um den politischen Gegner vor der Nachwelt ins Unrecht zu setzen, scheuten sie sich nicht, die Handelsmetropole an der Nordküste Afrikas als Reich des Bösen darzustellen. Habgierig, hinterhältig, vor allem aber treulos seien die Karthager gewesen, so notierten die Geschichtsschreiber. Poeni foedifragi, die »vertragsbrüchigen Punier«, war ein geläufiges Schimpfwort. Ihr größter Frevel aber sei laut Diodor von Sizilien, dass sie ihre Kinder am Tophet, dem »Platz der Verbrennung« dem Gott Baal Hammon und dessen Stellvertreterin, der Fruchtbarkeitsgöttin Tanit zu opfern pflegten. Auch heute halten einige Wissenschaftler diesen grausigen Brauch für möglich, mythisch begründet in der Selbstverbrennung der Dido. Denn amerikanische Archäologen entdeckten in den 1970er Jahren unter Votivstelen tatsächlich Bestattungsgefäße mit verkohlten Kinderknochen. Zwischen 400 und 200 v. Chr. wurden am Tophet etwa 20 000 Heranwachsende beigesetzt. Doch ist dies schon ein Beweis für Menschenopfer? Der tunesische Archäologe Fethi Chelbi sieht darin eher das Resultat einer hohen Kindersterblichkeit. Denn die Analyse der Asche aus den Urnen ergab, dass auch Föten und Totgeburten dort bestattet wurden, ebenso Lämmer und Zicklein – tierische Ersatzopfer, die man anstelle der Allerliebsten zu opfern pflegte. Eine wachsende Zahl von Forschern geht heute davon aus, dass Tophets heilige Bezirke waren, deren Kult möglicherweise den Gefahren von Schwangerschaft oder Kindheit galt. Dann wären die Gräuelgeschichten lediglich Ausdruck eines Unvermögens: Weder Griechen noch Römer verstanden, wie ihre in weltlichen Dingen so erfolgreichen Konkurrenten mit der Trauer um ein verstorbenes Kind umgingen.

Theodor Kissel ist Althistoriker, das Römische Reich ist sein Spezialgebiet. Neben seiner eigenen Forschung betätigt er sich auch gern als freier Autor in Sachen Archäologie. Hannibal ad Portas. Macht und Reichtum Karthagos. Ausstellungskatalog des Badischen Landesmuseums Karlsruhe, TheissVerlag 2004. Karthago. Von Werner Huß, Verlag C. H. Beck, München 1995

A U T O R U N D L I T E R AT U R

Kriegshafen doch den archäologischen Befunden zufolge erst nach dem 2. Punischen Krieg ausgehoben worden. Vor allem der wortgewaltige Cato plädierte im Senat für die vollständige Vernichtung. Als Mitglied einer römischen Gesandtschaft, die 153 v. Chr. zur Schlichtung karthagisch-numidischer Streitigkeiten in Karthago weilte, konnte er sich mit eigenen Augen von ihrer Wehrfähigkeit überzeugen. Fortan schloss er jede Rede, zu welchem Thema auch immer, mit dem sprichwörtlich gewordenen Diktum: Ceterum censeo Carthaginem esse delendam – »im übrigen bin ich der Meinung, dass Karthago zerstört werden muss«. Um seinen Worten Nachdruck zu verleihen, holte er Plutarch zufolge besonders große, frische afrikanische Feigen unter seiner Toga hervor – Symbol für die ungebrochene wirtschaftliche Potenz des Gegners, der »nur drei Tage Seefahrt von Rom entfernt ist«. Am Ende ging Catos Rechnung auf, 150 v. Chr. erklärte Rom Karthago den Krieg. Den Vorwand hierzu hatten die Punier selbst geliefert, als sie trotz Verbots in Afrika Krieg zu führen, eine militärische Offensive gegen den Numiderkönig Massinissa starteten, einem Günstling Roms. Sie handelten zwar in Notwehr, verstießen damit aber gegen den Friedensvertrag von 201 v. Chr.

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BIOTECHNOLOGIE

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Die Verheißung von Stammzellen Im Schatten ethischer Kontroversen ringen Forscher um eine Verwirklichung der Stammzelltherapie. Die wissenschaftlichen Hürden sind hoch, aber nicht unüberwindbar.

Von Robert Lanza und Nadia Rosenthal

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ie sollen einmal versagende Organe regenerieren, Gewebe ersetzen oder Krankheiten heilen, für die wirksame Medikamente fehlen – nach manchen Medienberichten grenzen die Fähigkeiten von Stammzellen ans Wunderbare. Derartige therapeutische Verheißungen wecken große Hoffnungen bei betroffenen Patienten. Leider wurden etliche der aufsehenerregendsten Studienergebnisse in der Folge widerlegt und andere im Strudel der Debatten entstellt, die sich mit der Gewinnung von Stammzellen aus menschlichen Embryonen befassen. Provokative und widersprüchliche Aussagen einiger Wissenschaftler haben in der Öffentlichkeit – und auch unter vielen Forschern – Verunsicherung darüber hervorgerufen, ob Stammzelltherapien überhaupt medizinisch machbar sind. Wenn die gesetzgeberischen und finanziellen Beschränkungen in den USA und anderen Ländern heute aufgehoben würden, könnte dann gleich morgen die therapeutische Anwendung am Patienten beginnen? Vermutlich nicht, denn bis sich die Verheißungen der Stammzellforschung erfüllen, sind noch viele technische Hindernisse zu überwinden und offene Fragen zu klären. Sicherheit geht vor. Wo stehen wir also?

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Die Schwierigkeiten beispielsweise beginnen bereits damit, eine Stammzelle als solche überhaupt zu identifizieren. Um Ergebnisse vergleichen und Verfahren zur Kontrolle des Zellverhaltens bewerten zu können, müssen Forscher zunächst sicherstellen, dass die Studienobjekte tatsächlich als Quelle oder »Stamm« verschiedener Zelltypen dienen, ohne dabei ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung einzubüßen. Am Aussehen lassen sich Stammzellen leider nicht erkennen; sie sind durch ihr Verhalten definiert. Praktisch Alleskönner sind die embryonalen Stammzellen, kurz ES-Zellen genannt. Vor über zwanzig Jahren haben Forscher sie erstmals bei Mäusen isoliert. In einem ganz frühen Entwicklungsstadium enthält der erst bläschenförmige Keim innen eine Art Knoten. Aus dieser Zellmasse gehen die drei verschiedenen »Keimblätter« des heranwachsenden Embryos hervor und daraus dann alle Gewebe und Organe (siehe Kasten S. 36). Aus dem Knoten isolierte ES-Zellen behalten ihr Potenzial, sich zu jedem beliebigen Zelltyp des Organismus zu entwickeln, man nennt sie daher pluripotent. Die bisher existierenden humanen ES-Zelllinien wurden zumeist aus überzähligen Embryos von Paaren gewonnen, die eine Reagenzglasbefruchtung wünschten. Diese Zellen überstehen gewöhnlich ein Einfrieren und können

sich in einer Kulturschale in unterschiedliche Zelltypen differenzieren. Doch wie die Forscher nach und nach feststellen mussten, sind diese etablierten ES-Linien nicht alle gleichwertig: Manche entwickeln sich nur zu bestimmten Zelltypen, andere wachsen in Kultur extrem langsam.

Inseln zuckender Zellen Um gewisse Standards zu setzen und zunächst sicherzustellen, dass es sich tatsächlich um pluripotente Zellen handelt, schlug eine Gruppe amerikanischer und kanadischer Wissenschaftler zwei Testverfahren vor. Bei nichtmenschlichen ES-Zellen sind sie bereits üblich. Im einen Fall werden die Zellen in Gewebe eines Tieres injiziert. Bilden sie dort ein Teratom – einen Tumor mit Zelltypen aus allen drei Keimblättern –, ist ihre Pluripotenz bewiesen. Ein anderer Prüfstein für ES-Zellen besteht darin, sie dauerhaft zu markieren und in einen tierischen Embryo zu injizieren. Sind die Zellen nach der Geburt des Tieres in all seinen Geweben nachweisbar, so können sie ebenfalls als pluripotent gelten. Humane Stammzellen auf diese Weise zu testen hieße jedoch, Chimären, also Mischwesen zu erzeugen, die überall im Körper auch Zellen mit menschlichem Erbgut enthalten. So etwas gilt weithin als ethisch inakzeptabel. Außerdem bieSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Die obere Verdickung im Inneren (rot) dieses menschlichen Bläschenkeims ist die Quelle für embryonale Stammzellen.

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tet diese zweite Untersuchungsmethode keine Gewähr dafür, dass die Zellen auch in Kultur zur Differenzierung fähig sind. Es gilt, verlässlichere Kennzeichen für echte pluripotente ES-Zellen zu finden. Daher versuchen viele Wissenschaftler, all die Gene zu katalogisieren, die in solchen kultivierten Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten an- und abgeschaltet werden. Solche Genexpressionsprofile wären nicht bloß eine Art Fingerabdruck pluripotenter Zellen – sie könnten zugleich Aufschluss über die molekulare Basis der »Stammzelligkeit« geben. Allerdings haben verschiedene Projekte bisher widersprüchliche Profile ergeben, sodass die Suche nach einer eindeutigen Stammzellsignatur weitergeht. Die Stammzellforschung zielt letztlich darauf ab, versagende Bauteile des Körpers zu regenerieren oder zu ersetzen. Das können ganz bestimmte Zellen sein, etwa die Dopamin produzierenden Neuronen im Gehirn von Parkinsonpatienten oder die Insulin erzeugenden Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse von Diabetikern. Bisher sind jedoch die Techniken, Stammzellen zur Differenzierung in genau den gewünschten Zelltyp zu veranlassen, alles andere als perfekt. Und der menschliche Körper umfasst mehr als 200 Zelltypen. Bleiben ES-Zellen in einer Kulturschale sich selbst überlassen, so entwiSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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ckelt sich spontan ein wildes Gemisch verschiedener Gewebetypen. Fügt man zu den richtigen Zeitpunkten bestimmte Stoffe hinzu, lässt sich die Differenzierung oft in Richtung des einen oder anderen Zelltyps lenken. Allerdings scheinen manche Gewebe bevorzugt zu entstehen – zum Beispiel entwickeln sich in Kultur bereitwillig Inseln zuckender Herzmuskelzellen, während die Differenzierung in andere Gewebetypen wesentlich schwieriger zu bewerkstelligen ist. Welche Signale embryonale Zellen während der normalen Entwicklung dazu bewegen, bestimmte Differenzierungswege einzuschlagen, ist noch unbekannt. Daher untersuchen viele Forscher

die »ökologische Nische« im Embryo, um solche milieubedingten Faktoren aufzuspüren. Andere Wissenschaftler versuchen, über Expressionsprofile Gene zu finden, die eine Differenzierung in verschiedene Zelltypen steuern und sich vielleicht ein- oder ausschalten ließen. Mit der richtigen Rezeptur die – dem Anschein nach – richtigen Zellen zu produzieren ist erst ein Teil der Aufgabe. Aus wenigen ES-Zellen lassen sich zwar Millionen von Neuronen züchten. Diese sind jedoch nur von Nutzen, wenn sie im Gehirn eines Patienten auch funktionsfähige Verbindungen mit anderen Neuronen herstellen können. Außerdem kann der Anschein trügen. Im Jahr 2001 berichtete Ronald McKay von den US-amerikanischen Nationalen Gesundheitsinstituten in Bethesda (Maryland), seine Arbeitsgruppe habe aus ES-Zellen der Maus Pankreaszellen gezüchtet, die Insulin produzieren. Damit schien ein größerer Durchbruch zu einem der hochrangigen Ziele der Stammzellforschung gelungen. Letztes Jahr jedoch versuchte Douglas A. Melton von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) McKays Ergebnisse zu reproduzieren und musste feststellen, dass die Zellen das Hormon nicht erzeugten, sondern aus dem Nährmedium aufnahmen. Die Entwicklung zuverlässiger Indikatoren für wirklich funktionierende Zielzellen ist somit eine weitere dringliche Aufgabe der Stammzellforscher.

IN KÜRZE r Die Hoffnung, geschädigte Gewebe oder Organe mit Hilfe von Stammzellen ersetzen beziehungsweise regenerieren zu können, hat wissenschaftliche und ethische Kontroversen entfacht. r Embryonale Stammzellen sind pluripotent – das heißt, im Prinzip lassen sich aus ihnen alle Zelltypen des Organismus erzeugen. Die Forschung ist jedoch noch weit davon entfernt, das Verhalten von Stammzellen zu verstehen und sie kontrolliert einsetzen zu können. r Adulte Stammzellen – also solche, die im erwachsenen Körper vorkommen – lassen sich möglicherweise leichter zu manchen Aufgaben heranziehen. Doch ob ihr Ursprung wirklich im eigenen Gewebe liegt und wie weit ihre regenerativen Fähigkeiten gehen, bleibt noch zu klären. r Bis zur breiten Anwendung von Stammzelltherapien beim Menschen sind außer vielen wissenschaftlichen auch politische Hürden zu überwinden.

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BIOTECHNOLOGIE

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Was sind embryonale Stammzellen? In einem ganz frühen Entwicklungsstadium enthält ein Embryo noch Zellen, aus denen jeder Zelltyp des Körpers hervorgehen kann. Etwa eine Woche nach der Befruchtung der Eizelle ist der menschliche Keim zu einer Art Hohlkugel aus 100 bis 150 noch undifferenzierten Zellen herangewachsen. Aus der Schale dieses so genannten Bläschenkeims entstehen, wenn er sich jetzt in die Gebärmutter einnistet, später Teile der Plazenta. Nur dann kann sich eine Zellansammlung in seinem Inneren, der Embryonalknoten, zum Körper weiterentwickeln. Zur dritten Woche hin beginnen sich die Zellen dort zu spezialisieren und in dem nun Becherkeim genannten Gebilde drei Zellschichten auszubilden. Aus diesen Keimblättern gehen jeweils verschiedene Gewebe und Organe hervor.

Sie sind pluripotent. Embryonale Stammzellen, wie Forscher sie verwenden, leiten sich davon ab.

befruchtete Eizelle (1. Tag)

Wandzellen Bläschenkeim (5.– 6. Tag)

wachsende Zellkolonien

innere Zellmasse (Embryonalknoten)

Becherkeim (14.–16. Tag)

Kolonie embryonaler Stammzellen

embryonale Keimblätter und einige davon abstammende Gewebe und Organe

Entoderm (inneres Keimblatt)

Mesoderm (mittleres Keimblatt)

Ektoderm (äußeres Keimblatt)

Bauchspeicheldrüse Leber Schilddrüse Lunge Blase Harnröhre

Knochenmark Skelettmuskeln glatte Muskulatur Herzmuskel Blutgefäße Nierenkanälchen

Haut Neuronen Hypophyse (Hirnanhangdrüse) Augen Ohren

Kulturschale

Anzucht embryonaler Stammzellen Für die Gewinnung von menschlichen ES-Zellen verwenden Wissenschaftler gewöhnlich so genannte überzählige Embryonen, die bei einer In-vitro-Fertilisation erzeugt, aber nicht mehr implantiert wurden. Die innere Zellmasse des Bläschenkeims kommt in eine Kulturschale mit einer Unterlage aus »Nährzellen«. Binnen weniger Tage wachsen weitere Zellen heran, bilden Kolonien (mikroskopische Aufnahme oben). Die neu entstandenen Zellen werden nur dann formal als embryonale Stammzellen bezeichnet, wenn sie folgenden zwei Kriterien genügen: Sie tragen molekulare Kennzeichen embryonaler Stammzellen und lassen sich in Kultur passagieren – das heißt, sie bilden immer wieder neue Kolonien mit denselben Eigenschaften. Es handelt sich um eine stabile, gewissermaßen unsterbliche Zelllinie. ANDREW SWIFT

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Ein besonders eleganter therapeutischer Ansatz wäre, ES-Zellen einfach in das Organ einzubringen, dessen Gewebe regeneriert werden soll, und sie auf Signale aus der natürlichen Umgebung reagieren zu lassen. Doch ist dieser Ansatz gerade wegen der Pluripotenz der Stammzellen für die Anwendung am Menschen zu gefährlich. Die Zellen könnten ein Teratom bilden oder sich in unerwünschte Zelltypen differenzieren. In Tierexperimenten bildeten sich zum Beispiel Teratome, die vollständige Zähne enthielten. Viele Forscher beschreiten inzwischen einen Mittelweg. Sie wollen Stammzellen vor der Anwendung am Patienten in ein stabileres, aber immer noch flexibles Vorläuferstadium überführen, das unkontrollierte Entwicklungen ausschließt und den Zellen dennoch ermöglicht, auf Milieufaktoren im Wirtsgewebe zu reagieren. Dadurch sollte der gewünschte Zelltyp entstehen. Doch selbst wenn diese Vorläuferzellen ein ihrer Umgebung angemessenes normales Gewebe bilden, wird das Immunsystems sie angreifen. Denn embryonale Stammzellen und aus ihnen entstandene Gewebe tragen wie transplantierte Organe verräterische Oberflächenmerkmale. Anhand dieser Antigene können sie als fremd erkannt und abgestoßen werden. Hunderte Kombinationen verschiedener Typen von Antigenen sind möglich. Man müsste daher Zellbanken mit wohl Hunderttausenden verschiedener ES-Linien aufbauen, damit einmal für die meisten Patienten passende Zellen zur Verfügung stehen. Dafür wären Millionen überzähliger Embryonen aus Kliniken nötig, die In-vitro-Befruchtungen durchführen. Einige Wissenschaftler vermuten, dass weit weniger ES-Zelllinien reichen würden, wenn es gelänge, die Patienten zu desensibilisieren oder die so genannte Immunogenität der Zellen herabzusetzen. Die Machbarkeit ist jedoch noch nicht schlüssig belegt. Als derzeit einzige Möglichkeit, eine Abstoßung garantiert zu umgehen, bleibt das Klonen. Genauer: durch Zellkerntransfer in eine unbefruchtete Eizelle letztlich eine individuelle ES-Zelllinie herzustellen, die das genetische Material des Patienten selbst enthält. Die denkbare Anwendung solcher Verfahren beim Menschen ist zwar heftig umstritten, von praktischen Hürden ganz zu schweigen. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Doch in Tierexperimenten lieferte dieser Ansatz bereits ermutigende Resultate bei der Regeneration von Geweben, die ihre Funktion nicht mehr erfüllten. Das Klonen dreht gewissermaßen die Uhr zurück. Ist eine Zelle bei Säugetieren erst einmal auf einen bestimmten Typ festgelegt, somit »enddifferenziert«, gibt es normalerweise kein Zurück. Diese Regel lässt sich brechen, wenn man den Kern einer Körperzelle in eine unbefruchtete Eizelle überträgt, deren eigenes Erbgut zuvor entnommen wurde. Durch geeignete Tricks verhält sich die Eizelle so, als sei sie befruchtet, und beginnt sich zu teilen. Es entsteht ein Keimbläschen. Daraus gewonnene ES-Zellen enthalten das Erbgut des Zellkernspenders. Das genetische Material aus der Körperzelle ist also auf den Embryonalzustand zurückprogrammiert und damit in der Lage, jeden Gewebetyp zu regenerieren.

Die erste geklonte menschliche Stammzelllinie Vor einigen Monaten hat einer von uns (Lanza) mit seinem Team partiell differenzierte Stammzellen aus einem geklonten Mäuse-Embryo in das Herz der Spendermaus injiziert. Dort siedelten sich die Zellen in einem Bereich an, der zuvor durch einen gezielt gesetzten Infarkt geschädigt worden war. Binnen eines Monats ersetzten sie dort 38 Prozent des Narbengewebes durch gesundes Muskelgewebe (Abbildung unten). Manch ein Wissenschaftler hegte Zweifel, ob sich mit dem beschriebenen Verfahren auch bei Primaten therapeutisch nutzbare ES-Zelllinien erzeugen lassen. Im Februar 2004 verkündete jedoch Woo Suk Hwang mit seinen Kolle-

gen an der Nationalen Universität von Seoul einen Erfolg. Sie hatten einen humanen Kerntransfer-Embryo erzeugt, ihn zum Keimbläschen heranwachsen lassen und aus der inneren Zellmasse erstmals auf diesem Wege eine humane pluripotente ES-Zelllinie gewonnen. Dieses Experiment ist zwar ein wichtiger Meilenstein der Stammzellforschung, zeigt aber in seinen Details, wie viele Probleme noch zu lösen sind. Hwangs Gruppe hatte immerhin 242 gespendete Eizellen zur Verfügung. Die Wissenschaftler konnten damit in jedem Stadium ihres Experiments Variationen erproben, um ihre Methode zu optimieren. Dennoch bestand die Ausbeute aus lediglich einer einzigen ES-Zelllinie. Tatsächlich gestehen die Forscher ein, dass sie derzeit nicht genau wissen, welche Voraussetzungen diesen Erfolg ermöglichten. Hier hat die Wissenschaft noch viel zu lernen: über die mysteriösen Mechanismen der genetischen Reprogrammierung in der Eizelle und warum das Erzeugen und Kultivieren eines Kerntransfer-Embryos so oft schief geht. Zum Beispiel ist unklar, ob die Reprogrammierung oder andere Aspekte der Embryonenmanipulation zu Muta-

Eine Maus erlitt einen ausgedehnten Infarkt in der Wand der linken Herzkammer, hier im Querschnitt zu sehen. Geklonte Stammzellen, in den Herzmuskel eingespritzt, regenerierten in einem Monat 38 Prozent des Gewebeschadens. Die vergrößerten Ausschnitte zeigen die geklonten Zellen blau und die regenerierten Herzmuskelzellen rot.

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LIPPINCOTT / WILLIAMS&WILKINS / ROBERT LANZA ET AL. IN »CIRCULATION RESEARCH«, VOL. 94, S. 820–927; APRIL 2004

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Das größte Hindernis: Politik

tionen führen, die geklonte ES-Zellen womöglich eher zu Krebszellen entarten oder vorzeitig altern lassen. Im Falle von Erbleiden wie Bluterkrankheit oder Muskeldystrophie müssten außerdem die entsprechenden angeborenen Gendefekte in den geklonten ES-Zellen korrigiert werden, bevor diese zur Behandlung eingesetzt werden könnten. Das stellt jedoch kein grundsätzliches Hindernis dar, da geeignete gentechnische Verfahren, die bei ES-Zellen von Mäusen bereits Routine sind, auch bei den humanen Pendants funktionieren.

In den Vereinigten Staaten d rfen Wissenschaftler, deren Arbeit mit Regierungsgeldern gef rdert wird – also die große Mehrzahl der Forscher in akademischen und industriellen Labors –, nur mit Stammzelllinien arbeiten, die vor dem 9. August 2001 erzeugt wurden. Auch Deutschland hat einen Stichtag: den 1. Januar 2002. Zudem m ssen Import und Verwendung solcher im Herkunftsland legal erzeugten Zelllinien f r Forschungszwecke vom Robert Koch-Institut in Berlin genehmigt werden. In den USA stehen der Wissenschaft nur etwa f nfzehn der freigegebenen ES-Zelllinien berhaupt zur Verf gung. Einige davon sind irgendwie kr nklich und schwierig zu z chten, andere zeigen inzwischen genetische Anomalien. Zudem wurden alle Zelllinien ber l ngere Zeit in N hrmedien gehalten, die M usezellen enthielten, und k nnten daher mit tierischen Viren kontaminiert sein. Die amerikanische Arzneimittelaufsicht, die Food and Drug Administration FDA, pr ft daher derzeit, ob Studien mit diesen Zellen am Menschen untersagt werden m ssen.

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KATHLEEN DOOHER / HOWARD HUGHES MEDICAL INSTITUTE

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Forschung an Stammzellen von Erwachsenen ist ethisch nicht umstritten und unterliegt keinen Beschränkungen. Wie vielseitig die adulten Stammzellen wirklich sind, bleibt aber noch zu beweisen. Nach Auffassung vieler Forscher besitzen embryonale Stammzellen, kurz ESZellen, ein höheres medizinisches Potenzial. Es zu erforschen und nutzbar zu machen werde jedoch durch restriktive Gesetze und mangelhafte finanzielle F rderung vielerorts erheblich behindert. dkorea, Großbritannien, Singapur China, Japan und einige andere L nder unterst tzen dagegen die Forschung an humanen ES-Zellen großz gig mit ffentlichen Mitteln. Im Europ ischen Parlament kam bisher keine Einigung ber einen Gesetzesentwurf zu Stande, sodass es den einzelnen EU-L ndern berlassen bleibt, nationale Regelungen zu erlassen. Eine Initiative der Vereinten Nationen zur Erarbeitung einer weltweit g ltigen Konvention hat bis Redaktionsschluss keine Entscheidung gebracht: Soll Klonen schlechthin, auch das therapeutische zur Gewinnung patienteneigener embryonaler Stammzellen, verboten werden?

Allein 17 neue ES-Zelllinien erzeugte Douglas A. Melton von der Harvard-Univer Private Geldgeber hatten die Arbeit finanziert.

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Douglas A. Melton von der Harvard-Universität, dessen Kinder beide an Diabetes mellitus vom Typ 1 leiden, ist ein entschiedener Kritiker der derzeitigen Politik. Im Februar gab er die Herstellung von 17 neuen ES-Zelllinien bekannt. Seine Arbeit hatten ausschließlich private Geldgeber finanziert. Die Zelllinien sind zwar frei verf gbar, die meisten amerikanischen Wissenschaftler sehen sich jedoch zurzeit nicht in der Lage, die Auflagen der Regierung zu erf llen und wie Melton ein separates Labor f r die ESZellforschung aufzubauen, in dem keine einzige Pipette mit staatlichen Mitteln bezahlt ist. Die Entwicklung neuer Linien macht Sinn, weil sich inzwischen die Methoden der Stammzellzucht erheblich verbessert haben. Angesichts des enormen medizinischen und konomischen Potenzials gew hrte immerhin Kalifornien der Stammzellforschung bereits 2002 als erster US-Bundesstaat offizielle Billigung. Im November entschieden die W hler zugunsten von 3 Milliarden Dollar bundesstaatlicher F rdergelder. Auch New Jersey sprach sich im vergangenen Jahr f r die Stammzellforschung aus und stellte die Bewilligung von 50 Millionen Dollar an F rdermitteln ber f nf Jahre in Aussicht. Christine Soares

Die Autorin ist Redakteurin von Scientific American.

Embryo aus Jungfernzeugung Der Umstand, dass geklonte Tiere ungewöhnlich oft Missbildungen tragen und vorzeitig sterben, weckte auch Zweifel am »allgemeinen Gesundheitszustand« von ES-Zellen aus Kerntransfer-Embryonen. Allerdings: Wird das regenerative Potenzial tierischer ES-Zelllinien durch Injektion in ein Keimbläschen getestet, entstehen anscheinend völlig normale Tiere. Dies weist darauf hin, dass durch Zellkerntransfer erzeugte ES-Zellen – zumindest für therapeutische Zwecke – gewöhnlichen ES-Zellen gleichzusetzen sind. Hingegen ist das so genannte reproduktive Klonen für die Anwendung beim Menschen eindeutig zu unsicher. Ähnliche Sicherheitsprobleme bleiben auch bei einer weiteren Technik zu lösen, bei der ES-Zellen ohne Kerntransfer oder Reagenzglasbefruchtung hergestellt werden. Unbefruchtete Eizellen lassen sich durch chemische Tricks zur Teilung anregen, als wären sie befruchtet. Bei dieser Jungfernzeugung, fachlich Parthenogenese genannt, entstehen Pseudoembryonen. Sie sind viel einfacher zu züchten als Kerntransfer-Embryonen. In Tierexperimenten wurden aus ihnen ESZellen gewonnen, die sich in Kultur zu verschiedenen Zelltypen entwickelten und im Teratomtest Zelltypen aller drei Keimblätter ausbildeten. Anders als normale Körperzellen, die über je einen mütterlichen und einen väterlichen Chromosomensatz verfügen, gibt es bei einem Pseudoembryo zwei identische Kopien des mütterlichen Satzes, aber keinen väterlichen. Damit hat ein solcher Embryo zwar ein numerisch vollständiges Genom, ist aber nach der Reimplantation in die Gebärmutter nicht überlebensfähig. Der praktische Vorteil nur eines »Elter«: Die Zahl möglicher Kombinationen von Antigenen reduziert

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Stammzellreservoir im Knochenmark Knochenmark

ANDREW SWIFT

rote Blutkörperchen

Das Knochenmark beherbergt zwei Arten adulter Stammzellen: Blutstammzellen, aus denen die Vorläufer der verschiedenen Blutkörperchen hervorgehen, sowie Stromazellen für Fett-, Knorpel- und Knochenzellen. Möglicherweise sind Stromazellen auch die Vorläufer der in jüngster Zeit entdeckten mesenchymalen Stammzellen und der multipotenten adulten Vorläuferzellen (MAPCs). Vielleicht sind sie sogar mit ihnen identisch. Adulte Zellen, denen Stammzelleigenschaften zugeschrieben werden, fanden sich an etlichen anderen Stellen im Körper, etwa Gehirn, Auge, Haut, Muskel, Leber, Bauchspeicheldrüse, Zahnpulpa, Blutgefäßen und Magen-Darm-Trakt. Ob das ihr jeweiliges Ursprungsgewebe darstellt oder ob sie als Abkömmlinge zirkulierender Blutstammzellen aus dem Knochenmark eingewandert sind, lässt sich noch nicht schlüssig entscheiden.

sich drastisch. Somit würde vermutlich eine Bank mit weniger als tausend verschiedenen parthenogenetisch erzeugten ES-Zelllinien ausreichen, um für den Großteil der amerikanischen Bevölkerung passende Zellen bereitzuhalten. Wann ES-Zelltherapien erstmals beim Menschen getestet werden können, hängt mindestens im gleichen Maße von den politischen Gegebenheiten ab wie von den weiteren wissenschaftlichen Fortschritten (siehe Kasten links). Aus ES-Zellen erzeugte, gut untersuchte und einfach zu kultivierende Zelltypen wie etwa Dopamin-Neuronen oder Pigmentepithelzellen der Netzhaut könnten in weniger als zwei Jahren für Studien an Patienten bereitstehen. Angesichts des außerordentlichen Regenerationspotenzials der ES-Zellen wurde jedoch in den letzten Jahren auch die Suche nach ähnlich gearteten Zellen im »fertigen« Körper intensiviert. Selbstreparatur ist immerhin möglich: Die menschliche Haut startet sofort nach einer Verletzung die Wundheilung, die Leber kann innerhalb weniger Wochen SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Blutstammzelle

basophiler Granulocyt

Megakaryocyt Monocyt

Stromazelle multipotente Stammzelle

Fettzelle

eosinophiler Granulocyt

myeloide Vorläuferneutrophile zelle Zelle lymphoide Vorläuferzelle

ü

mesenchymale Stammzelle

Blutplättchen

dendritische Zelle

T-Lymphocyt

Osteoblast

B-Lymphocyt

MAPC

nat rliche Killerzelle

50 Prozent ihrer Masse regenerieren, und unsere roten Blutkörperchen werden mit einer Rate von 350 Millionen Zellen pro Minute ersetzt. In solchen rasch regenerierenden Geweben und Systemen müssen äußerst teilungsaktive Stammzellen am Werk sein. Umso interessanter ist die Frage, weshalb andere Organe wie Gehirn und Herz dies offenbar nicht nennenswert tun, obwohl bei ihnen in jüngster Zeit ebenfalls Zellen mit Stammzellpotenzial entdeckt wurden.

Ermutigende Resultate am Herz Am besten untersucht sind die Blutstammzellen des Knochenmarks, aus denen mehr als ein halbes Dutzend verschiedener Arten von Blut- und Immunzellen hervorgeht (siehe Kasten oben). Da sie Nachschub für mehrere Mitglieder wenigstens einer Zellfamilie liefern, werden sie als multipotent bezeichnet. Große Hoffnung besteht, dass ähnliche multipotente Stammzellen anderer Gewebe direkt zur Reparatur eines geschädigten Areals herangezogen werden könnten. Dies ersparte den Umweg über

Embryonen. Noch günstiger wäre es allerdings, wenn erwachsene – adulte – Stammzellen gefunden würden, die in ihrer Vielseitigkeit der Pluripotenz embryonaler Zellen nahe kommen. Wird eine Regeneration in den von Natur aus weniger reparaturfreudigen Geweben nur irgendwie blockiert? Und wenn ja, ließe sich diese Blockade aufheben? Die Forscher stehen erst am Anfang. Selbst der Umfang des regenerativen Potenzials adulter Stammzellen ist noch umstritten, ebenso ihre genaue Herkunft. So weiß keiner definitiv, r ob gewebespezifische Stammzellen in den Organen selbst bereitgehalten werden oder als Abkömmlinge von Blutstammzellen aus dem Knochenmark einwandern, r in welchem Umfang solche Zellen zur Differenzierung in Zelltypen außerhalb ihres ursprünglichen Spektrums angeregt werden können r und ob sich eine solche im Labor erreichbare »Transdifferenzierung« in einem lebenden Organismus reproduzieren lässt. 39

BIOTECHNOLOGIE

z NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, U.S.A. / ANTONIO MUSARÒ ET AL. IN »PNAS«, VOL. 101, S. 1206–1210, FEBRUAR 2004

Die Idee, manche adulten Stammzellen könnten mehr als gedacht, kam erstmals auf, als nach Knochenmarkspenden Abkömmlinge der fremden Zellen schließlich in ganz unterschiedlichen Geweben des Empfängers auftauchten. Daraus zogen einige Forscher den Schluss, Stammzellen des Knochenmarks seien unter geeigneten Bedingungen in der Lage, sich am Aufbau praktisch jedes Gewebes zu beteiligen. Ähnliches wurde übrigens auch für so genannte fetale Stammzellen aus Nabelschnurblut vermutet, die den Blutstammzellen ähneln. Versuche, die erhoffte Vielseitigkeit experimentell direkt am lebenden Organismus zu belegen, lieferten allerdings kein konsistentes Bild. Wie zwei unabhängige Arbeitsgruppen – eine um Leora Balsam an der Universität Stanford (Ka-

grünestör

Ein Beinmuskel einer Maus produzierte auf Grund einer Verletzung (Pfeil) das Signalprotein IGF-1. Stammzellen aus dem Knochenmark, kenntlich an einer Fluoreszenzmarkierung, suchten gezielt das zer te Gewebe auf und begannen mit der Regeneration.

l

lifornien) und eine um Charles E. Murry an der Universität von Washington in Seattle – im März 2004 berichteten, ließ sich trotz Einsatz hochsensitiver Methoden nicht nachweisen, dass Blutstammzellen zur Regeneration eines geschädigten Herzmuskels beitragen. Was man allerdings immer öfter feststellt: Blutstammzellen fusionieren vielfach mit Zellen des Herzmuskels, der Leber oder des Gehirns. Dieses Phänomen könnte eine Transdifferenzierung vortäuschen. Daher ist bei künftigen Studien zum wahren Potenzial von adulten Stammzellen unbedingt auszuschließen, dass die Zellen nur mit den lokal vorhandenen verschmelzen, statt wunschgemäß neue zu erzeugen. Trotz allem – zumindest mit gewebespezifischen Stammzellen wurden bereits ermutigende Ergebnisse erzielt. Im Rahmen der deutschen TOPCAREAMI-Studie bekamen Infarktpatienten mit schweren Schäden des Herzmuskels eigene Herzmuskelvorläuferzellen injiziert, und zwar direkt in das betroffene Areal. Vier Monate später hatte es sich um durchschnittlich fast 36 Prozent verkleinert, die Herzfunktion verbesserte sich um zehn Prozent.

Leider liefern die Gewebe Erwachsener nur eine spärliche Menge an Stammzellen. Dies stellt das größte technische Hindernis dar, das der breiteren klinischen Erforschung solcher Verfahren im Wege steht. Im Knochenmark von Mäusen liegt der Anteil der Stammzellen bei 1 zu 10 000; beim Menschen ist dieses Verhältnis womöglich noch ungünstiger. Zudem gibt es in den meisten Geweben keinen festen Ort für Stammzellen, und sie anhand von Oberflächenmarkern und Genexpressionsmustern zu identifizieren ist bisher nur begrenzt möglich. Hat man endlich Stammzellen isoliert, so wachsen sie in Kultur sehr langsam und verlangen viel Pflege. Wie gesagt: Über die Faktoren, die im Organismus über das Schicksal von Stammzellen, ob embryonal oder adult, entscheiden, wissen wir noch viel zu wenig. Somit bleibt abzuwarten, ob eine längere Kultivierung ihre Fähigkeit zur Regeneration von Gewebe beeinträchtigt.

Alarm im Gewebe Statt adulte Stammzellen eines Patienten aufzuspüren, sie zu isolieren, zu kultivieren und dann zu reimplantieren, ist es daher möglicherweise erfolgversprechender, die im Körper versteckten Zellreserven durch Wirkstoffe zu aktivieren. Offenbar reagieren Stammzellen auf gängige chemische Signale des Körpers und lassen sich so an den Ort eines Gewebeschadens führen. Die Hinweise darauf verdichten sich. Eine von uns (Rosenthal) wies kürzlich bei Mäusen nach, dass Stammzellen von weit her zuwandern, wenn das Signalprotein IGF-1 Alarm gibt und sie anlockt (Foto oben). Um dem Körper eines Tages Hilfe zur Selbsthilfe geben zu können, müssen jedoch die Funktionen solcher Signalfaktoren erst wesentlich besser verstanden werden. IGF-1 etwa könnte – so unser Verdacht – zu noch etwas anderem beitragen: dass einige der geschädigten Zellen im betroffenen Areal in einen multipotenten Zustand zurückkehren und sich dann in die benötigten Typen von Zellen und Geweben differenzieren. Auf diesem Phänomen, fachlich epimorphe Regeneration genannt, basiert die erstaunliche Fähigkeit von Molchen und Zebrafischen, ganze Extremitäten und Organe zu ersetzen. Der Stein der Weisen in der regenerativen Medizin wäre eine Substanz, die Gewebe zu einer solchen kontrollierten SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Robert Lanza ist medizinischer Direktor der Firma Advanced Cell Technology und lehrt zugleich am Institut für Regenerative Medizin an der Wake-Forest-Universität in Winston-Salem (Nordcarolina). Seine Forschungsarbeiten konzentrieren sich derzeit auf embryonale Stammzellen. Nadia Rosenthal leitet das Europäische Molekularbiologische Labor (EMBL) in Rom und das Mausbiologie-Programm. Sie erforscht unter anderem die Regeneration neuromuskulärer und kardialer Gewebe mit Stammzellen. Stammzellen. Von E. J. Wormer. Lingen-Verlag, Köln 2003 Regeneration of the infarcted heart with stem cells derived by nuclear transplantation. Von Robert Lanza et al. in: Circulation Research, Bd. 94, Nr. 6, S. 820, 2004 Prometheus‘s vulture and the stem-cell promise. Von Nadia Rosenthal in: New England Journal of Medicine Bd. 349, Nr. 3, S. 267, 17. Juli 2003

A U T O R E N U N D L I T E R AT U R H I N W E I S E

Entdifferenzierung bewegt – im Grunde also ausdifferenzierte Zellen vor Ort in Stammzellen zurückverwandelt. Nach Substanzen, die dieses Wunder vollbringen sollen, suchen viele Forscher. Einige Erfolge sind ansatzweise bereits zu verzeichnen. Der therapeutische Einsatz der kontrollierten Entdifferenzierung liegt jedoch in weiter Ferne. Ohne ein wesentlich genaueres Verständnis des Verhaltens von Stammzellen adulter oder embryonaler Herkunft wird er höchstwahrscheinlich nicht gelingen. Wie so oft in der Naturwissenschaft wirft auch die Forschung an Stammzellen mindestens so viele neue Fragen auf, wie sie bisher beantwortet hat – doch sie kommt voran. Die ersten ermutigenden Tests adulter humaner Stammzellen zur Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden sicherlich Anreiz sein, in naher Zukunft größere Studien durchzuführen. Und angesichts viel versprechender tierexperimenteller Daten sind bereits in Kürze erste klinische Studien zum Einsatz von ES-Zellen bei degenerativen Erkrankungen des Zentralnervensystems zu erwarten. Was immer auch an Problemen besteht – das Ziel, Ersatzzellen zu erzeugen und Organe zu regenerieren, halten wir für realistisch und erreichbar. Die Hindernisse auf dem Weg dorthin sind groß, doch nicht unüberwindlich.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie bei www.spektrum.de unter »Inhaltsverzeichnis«.

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WISSENSCHAFT IM ALLTAG

WI SSE N S C H A F T IM AL LTA G P FEIFENOR GEL

Wunder der Mechanik Die Königin der Instrumente ist auch eine ausgetüftelte Maschine. Von Mark Fischetti und Klaus-Dieter Linsmeier

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eihnachten ist die hohe Zeit der Orgel. Dann erklingen die Werke alter Meister in den Kirchen, mal lieblich säuselnd, mal so urgewaltig, dass das Gotteshaus erzittert. Ein virtuoser Organist vermag mit den größten Instrumenten, die je gebaut wurden, eine Vielfalt von Klangfarben hervorzubringen – vorausgesetzt die technische Basis stimmt: Noch heute erfordert die Fertigung dieser Musikmaschinen ein hohes Maß an Kreativität, Handarbeit und Erfahrung. Das Grundprinzip ist seit der Antike bekannt: Luft (»Orgelwind«) wird in Pfeifen verschiedener Länge und damit unterschiedlicher Tonhöhe gepumpt und bringt dort Luftsäulen zum Schwingen. Ein Organist steuert diesen Vorgang über einen komplizierten Mechanismus aus »Spiel- und Registertraktur«. In den vergangenen Jahrhunderten haben Orgelbauer verschiedene Systeme entwickelt. Am wichtigsten war und ist das der mechanischen Schleiflade. Dabei gehört zu jeder Taste genau ein Ventil, dem aber mehrere Pfeifen zugeordnet sein können. Denn unterschiedliche Bauweisen ergeben verschiedene Klangfarben (so genannte Register), die sich separat einschalten lassen. Die Kunst des Registrierens besteht darin, durch immer neue Kombinationen von Farben dem Instrument eine Vielzahl von Klängen zu entlocken. Die Pfeifen können aus Holz oder Metall sein. Holz eignet sich für große Basspfeifen, da es bei tiefen Tönen gut in Resonanz gerät und dabei aber wenige hohe Obertöne erzeugt. Metallpfeifen bestehen gewöhnlich aus einer Zinn-Blei-Legierung. Ein hoher Bleianteil verstärkt den Grundton, während Zinn Obertöne höherer Frequenz unterstützt. Den Wind erzeugten im Mittelalter zunächst lederne Schmiedebälge, doch lieferten sie keinen gleichmäßigen Druck. Besser waren so genannte Spanbälge, deren Falten aus Holzteilen mit Lederscharnieren bestanden. Anfang des 20. Jahrhunderts begannen elektrische Gebläse den Balg zu füllen. Parallel dazu wurden Systeme entwickelt, um die mechanische Traktur durch die neue Elektrotechnik zu ersetzen: Der Tastendruck schloss einen Stromkreis, ein Elektromagnet öffnete das Ventil. Eine mittelgroße Kirchenorgel mit zwei Manualen, Pedal und um die 20 Register kann schon etwa 1200 Pfeifen umfassen und mit über 200 000 Euro zu Buche schlagen. Das Instrument wird vom Hersteller getestet, wieder zerlegt und am Bestimmungsort erneut aufgebaut. Jede einzelne Pfeife muss dann so intoniert werden, dass sie optimal auf die Raumakustik abgestimmt ist. Auch in Zeiten von Mikroelektronik und Digitaltechnik bleibt eine Orgel ein technisches Wunderwerk.

Mark Fischetti ist Redakteur bei Scientific American, Klaus-Dieter Linsmeier Redakteur bei Spektrum der Wissenschaft.

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WUSSTEN SIE SCHON? r Als Ahnen der Orgel gelten die Panflöte mit ihren verschieden langen Rohren und der Dudelsack mit seinem »Luftmagazin«. Das Prinzip der Verbindung mit einem Tastenmechanismus und einer Pumpanlage erfand der Grieche Ktebesios aus Alexandria um 250 v. Chr. Das Luftreservoir seiner Wasserorgel (Hydraulis) tauchte in einen Wasserbehälter ein, um Druckstöße auszugleichen. Dieses organum hydraulicum wurde in der römischen Kaiserzeit unter anderem in Amphitheatern eingesetzt. Von Byzanz aus gelangte das Instrument im 8. und 9. Jahrhundert über Gesandtschaften an den fränkischen Hof. r Soll der Klang dramatisch an- und abschwellen, betätigt der Organist hölzerne Jalousien im so genannten Schwellwerk. Diese Technik war für Konzertsaalorgeln seit dem 19. Jahrhundert unerlässlich. r Die weltweit größte Orgel mit mechanischer Traktur steht in der Dreifaltigkeitskirche zu Liepava (Libau) in Lettland – mit 131 Registern auf vier Manualen und einem Pedal. Sie wurde 1885 von Barnim Grüneberg aus Stettin gebaut. r Eine tragbare Orgel für das gesellige Musizieren im Mittelalter war das einstimmig gespielte Portativ. In der Renaissance und im Barock war das Positiv, ein kleines Instrument mit nur wenigen Registern, weit verbreitet. Heute erfahren diese Orgeln neue Aufmerksamkeit.

Mit komprimierter Luft beschickt ein Gebläse den Windkasten unter der Windlade. Der zwischengeschaltete Balg sorgt für einen gleichmäßigen Druck. Zieht der Organist ein Register, verschiebt er damit eine »Schleife«, eine hölzerne Leiste, samt ihren Bohrungen und gibt so den Weg zu den Pfeifen einer bestimmten Klangcharakeristik wie »Trompete« frei. Der Druck auf eine Taste öffnet über eine Mechanik, die »Spieltraktur«, eine hölzerne Klappe – das Tonventil –, sodass der Wind in die so genannte Tonkanzelle und von dort in die Pfeifen strömt. Eine Feder schließt das Ventil, wenn die Taste freigegeben wird.

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ö t m e n r ➁ s ä ä l t e g r u s n e g L h ö o n e . ü G b ä d d e eL n u g ru ä n e g d ä h e n r b ä d ä l t e e n n e n e r r g r u g u ü L s S kü tim cL ä n e g Lippenpfeifen (links) erklingen, weil de Luft an der oberen Kante des Aufschnitts in eine Art Pendelbewegung und so die Luf in der Pfeife zum Schwingen anregt. Je nach des Rohrs ergibt sich eine andere T Das klangliche einer Orgel umfasst auch oben geschlossene Lippenpfeifen, die eine Oktave entspricht (so getiefer klingen, als es ihrer nannte Gedackte). Zungenpfeifen (rechts) erhalten ihren charakteristisch schnarrenden Ton durch die Vibration der »Aufschlagzunge«. W Lippenpfeifen eine V der der Luf gestimmt werden, dient dazu bei Zungenpfeifen die ke: ein starker, mehrfach gebogener Metalldraht, der die des schwingenden Teils der Zunge begrenzt.

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Stimmkr cke Oberlabium Aufschnitt Unterlabium

Zunge Kehle

Fußloch

gedackte Holzpfeifen

offene Metallpfeifen

Tonkanzelle

Schleife

Windlade Windkasten Bleischeibe Spielventil

Spieltraktur

Magazinbalg

Windkanal

Registerzug

KENT SNODGRASS PRECISION GRAPHICS

Feder

Gebläse

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ASTROPHYSIK

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Ein Universum voller Scheiben Flache Wirbel aus heißem Gas umströmen sowohl junge Sterne als auch gigantische Schwarze Löcher. Neue Forschungen geben einen Einblick in die Dynamik dieser Akkretionsscheiben.

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Von Omer Blaes

S

chauen Sie einmal in einer klaren Nacht zum Sternenhimmel auf und versuchen Sie, einige der mit bloßem Auge sichtbaren Planeten zu finden – Merkur, Venus, Mars, Jupiter oder Saturn. Wenn Sie drei oder mehr aufgespürt haben, erkennen Sie, dass alle diese Wandelsterne grob auf einer Linie aufgereiht sind: Die Planetenbahnen verlaufen innerhalb eines schmalen Bands, das sich über das Firmament zieht. In diesem Streifen liegt auch die Ekliptik, der Weg, den die Sonne scheinbar auf ihrer jährlichen Bahn durch die Stern-

Ganz ähnlich zeigt uns die Erscheinung der Milchstraße, bei der es sich um die verschwommene Anhäufung des Lichts vieler Milliarden Sterne handelt, dass unsere Galaxie ebenfalls scheibenförmig ist. Unser Sonnensystem befindet sich innerhalb dieser Scheibe, deshalb scheint sich die Galaxis als kreisförmiges Band um uns zu winden. Auf scheibenförmige Strukturen unterschiedlichster Größen stoßen wir überall im Universum. Die Ringe des Saturns sind ein graziöses Beispiel in unserer näheren Umgebung, aber keineswegs das einzige: Alle Riesenplaneten in unserem Sonnensystem besitzen Ringe. Auch um viele junge Sterne be-

In diesem fiktiven Röntgen-Doppelsternsystem saugt ein Schwarzes Loch mit seiner gewaltigen Schwerkraft Gas vom Begleiter, einem Roten Riesen, ab. Wie Wasser an einem Abfluss bildet dieses Gas einen Strudel. So entsteht eine Akkretionsscheibe, die sich aufheizt und dadurch Röntgenstrahlung aussendet. Aus ihren innersten Bereichen schießen Teilchenjets hervor.

DON DIXON

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

bilder des Tierkreises zurücklegt. Und wenn Sie nun ihren Blick dem schimmernden Band der Milchstraße zuwenden, bemerken Sie, dass dieses einen anderen großen Kreisbogen am Himmel beschreibt. Diese beobachtete Geometrie ist kein Zufall. Die Planeten unseres Sonnensystems, einschließlich der Erde, umkreisen die Sonne in der gleichen Richtung und – mit Ausnahme von Pluto – nahezu in der gleichen Ebene. Dieses Arrangement liefert uns einen deutlichen Hinweis darauf, dass die Planeten in einer pfannkuchenartigen Materiescheibe aus Gas und Staub um die noch junge Sonne entstanden sind.

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ASTROPHYSIK

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Geburt einer Scheibe Das Auftreten von Gasscheiben im Universum ist letztlich auf ein simples Naturgesetz zurückzuführen, die Drehimpulserhaltung. Der Drehimpuls eines Objekts hängt von dessen Umdrehungs-

geschwindigkeit und der Massenverteilung um die Rotationsachse ab. Wenn eine Gaswolke nun schrumpft, indem die Masse zur Rotationsachse hinströmt, rotiert sie schneller.

schnellere Kontraktion

Kontraktion ALFRED T. KAMAJIAN

langsamere Kontraktion

Rotation

Eine interstellare Gaswolke rotiert zunächst langsam um ihre Achse und zieht sich auf Grund ihrer eigenen Schwerkraft zusammen. Durch die Kontraktion dreht sie sich immer schneller.

In der Äquatorebene der Wolke fällt das Gas langsamer nach innen, weil die Fliehkraft der Schwerkraft entgegen wirkt. Die Gasmassen ober- und unterhalb der Ebene strömen schneller nach innen.

Im Lauf der Zeit sammelt sich das gesamte Material der Wolke in der Äquatorebene. Dort wird es durch die Rotation stabilisiert – Fliehkraft und Schwerkraft sind im Gleichgewicht.

obachten wir flache Materiewolken. Die Astronomen nennen sie protoplanetare Scheiben, weil sie jenem Wirbel ähneln, aus dem unser Planetensystem entstanden ist. In manchen Doppelsternsystemen strömt Gas von einer der Komponenten ab und sammelt sich in einem flachen Gebilde um die andere herum an. Innerhalb dieser Scheibe sinkt das Gas wie in einem Strudel auf spiralförmigen Bahnen hinab zur Oberfläche des Zentralsterns. Solche Gebilde, so genannte Akkretionsscheiben, vermuten die Forscher auch um extrem massereiche Schwarze Löcher, die sich in den Zentren von Galaxien befinden und das Milliardenfache der Sonnenmasse in sich versammeln können. Die größten Scheiben sind Spiralgalaxien wie unser Milchstraßensystem, dessen Durchmesser über 100 000 Lichtjahre beträgt. Die Allgegenwart der Scheiben macht die Beschreibung der physikali-

schen Abläufe in ihrem Inneren zu einem der wichtigsten Probleme der Astrophysik. Die Astronomen glauben, dass die Akkretionsscheiben um extrem massereiche Schwarze Löcher die Entstehung und Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien beeinflussen. Und die Erforschung der Dynamik von protoplanetaren Scheiben um junge Sterne könnte uns auch neue Erkenntnisse über die frühe Geschichte unseres eigenen Sonnensystems liefern.

Die Rotation einer Scheibe stabilisiert sie gegen die Schwerkraft. Stellen wir uns einmal vor, wir säßen in einem Karussell, das sich gefährlich schnell dreht. Würden wir uns nicht gut genug an einem der bunt bemalten Pferdchen festhalten, so würde uns die Fliehkraft in einer geraden Linie tangential zur Kreisbewegung des Karussells herausschleudern. Die Kraft, die wir in unseren Armen aufwenden, ist exakt so groß, dass sie die Fliehkraft ausgleicht und wir uns in einer Kreisbahn mit dem Karussell bewegen. Die Rotation des Karussells verhindert zugleich, dass wir uns nach innen bewegen – es wäre ein enormer Kraftaufwand nötig, um uns dem Zentrum des Karussells zu nähern. Ganz ähnlich verhindert die Rotation in einer Scheibe, dass die Materie unter dem Einfluss der Gravitation nach innen fällt. Rotierende Körper haben einen Drehimpuls. Diese Größe ist proportional zur Rotationsgeschwindigkeit und hängt von der Massenverteilung ab: Je weiter die Masse von der Achse entfernt ist, desto größer ist ihr Drehimpuls. Dieser ist wie die Energie eine Erhaltungsgröße: Er kann weder erschaffen noch zerstört werden. Wenn ein Eiskunstläufer eine Pirouette dreht, so kann er die Drehung beschleunigen, indem er die Arme anzieht. Denn da der Drehimpuls konstant bleiben muss, wird die Rotation der Masse, die sich nun näher an der

Das Himmelskarusell Dank neuer theoretischer Erkenntnisse und moderner Computersimulationen gelang es den Wissenschaftlern kürzlich, die Turbulenzen in den Akkretionsscheiben zu erklären, die sie zu so mächtigen Energiequellen macht. Doch andere Phänomene, wie etwa die Teilchenströme, die oftmals von den Scheiben ausgehen, bleiben ein Rätsel.

IN KÜRZE r Akkretionsscheiben sind fast überall im Universum anzutreffen: Sie umwirbeln neugeborene Sterne ebenso wie Doppelsternsysteme und Galaxienzentren. Deshalb wollen Astrophysiker ihre Dynamik verstehen. r Um die Strahlung der Scheiben zu erklären, vermuten Astronomen schon lange, dass die Gasströmung sehr turbulent sein müsse. Der Grund dafür könnte ein Phänomen sein, das Magnetorotationsinstabilität genannt wird. r Die Wissenschaftler erforschen nun, wie dieser Effekt in den verschiedenen Arten der Akkretionsscheiben funktioniert.

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Drehachse befindet, durch Zunahme der Umdrehungsfrequenz ausgeglichen. Die Erhaltung des Drehimpulses ist die Ursache dafür, dass es so viele Scheiben im Universum gibt. Betrachten wir eine Gaswolke, die sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzieht. Da nahezu alles im Universum sich irgendwie in Rotation befindet, wird auch diese Wolke einen Drehimpuls haben. Wenn die Wolke nun kontrahiert, nimmt ihre Rotation wegen der Drehimpulserhaltung zu (Kasten links). Für die Materie in der Äquatorregion der Wolke – also in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse – bildet die Fliehkraft der Rotation ein immer stärkeres Gegengewicht zur Gravitation. Entlang der Polachse, wo die Fliehkraft schwächer ist, fällt die Materie deshalb schneller zur Äquatorebene hinab. Das Resultat: eine durch Rotation stabilisierte Scheibe. Die Wissenschaftler glauben, dass dieser Prozess die Entstehung protoplanetarer Scheiben um junge Sterne erklärt, und vielleicht sogar die Bildung der Scheiben um Schwarze Löcher in Galaxienzentren. Ob eine ganze Galaxie zu einer Scheibe wird, ist eine Frage des zeitlichen Ablaufs: Spiralgalaxien entstehen, wenn das Gas sich zuerst durch Rotation stabilisiert, bevor Gasklumpen zu einzelnen Sternen kontrahieren. Wenn aber zuerst Sterne entstehen, bevor die Gaswolke sich durch Rotation stabilisiert, dann bleiben die individuellen Umlaufbahnen der Sterne um das Galaxienzentrum erhalten und es bildet sich eine elliptische Galaxie. Im Allgemeinen entstehen Galaxien allerdings nicht isoliert. Galaktische Kollisionen und Verschmelzungen machen die Angelegenheit deshalb in der Realität erheblich komplizierter. Zumindest ein Teil der elliptischen Galaxien sowie die zentralen Verdickungen und die Halos von Spiralgalaxien könnten ihren Ursprung in solchen Zusammenstößen haben. Akkretionsscheiben bilden sich auch in Doppelsternsystemen, wenn einer der beiden Partner (zum Beispiel ein kompakter, dichter Weißer Zwerg) mit seiner Schwerkraft dem anderen (üblicherweise ein größerer, weniger kompakter Stern) Gas entreißt. Diese Materie besitzt auf Grund seiner ursprünglichen Bewegung mit dem Stern auf seiner Umlaufbahn um den Massenschwerpunkt des Systems einen erheblichen Drehimpuls. Deshalb kann das Gas nicht direkt auf den WeiSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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ßen Zwerg fallen, sondern sammelt sich zunächst in einer rotierenden Scheibe um ihn herum. So, wie der Planet Merkur in kürzerer Zeit – in nur 88 Tagen – um die Sonne läuft als die Erde, so rotiert die Materie im inneren Teil der Scheibe schneller als in den äußeren Bereichen.

Akkretion von Materie: gigantisches Kraftwerk im All Dieser Gradient in der Umlaufzeit führt zu einer Scherung: Materieteile in geringfügig unterschiedlichen Entfernungen vom Scheibenzentrum gleiten aneinander vorbei (Kasten auf S. 48). Reibungseffekte innerhalb der Scheibe bremsen die schnelleren Materieteile ab und beschleunigen die langsameren. Dadurch wird Drehimpuls von innen nach außen transportiert. Als Folge davon kann die Rotation der Materie im inneren Teil der Scheibe die Gravitation nicht mehr voll-

ständig ausgleichen – die Materie fällt nach innen. Insgesamt ergibt sich für die Scheibe eine spiralförmige Bewegung der Materie von außen nach innen auf den zentralen Stern oder das Schwarze Loch zu. Während sich die Materie auf einer Spiralbahn nach innen bewegt, verliert sie im Schwerefeld an potenzieller Energie. Ein Teil davon wandelt sich in Bewegungsenergie um. Der Rest wird durch Reibung in Wärme oder andere Energieformen umgewandelt. Dadurch kann sich die Scheibenmaterie sehr stark aufheizen und große Mengen an thermischer Strahlung – im sichtbaren, ultravioletten und Röntgenbereich – aussenden. Diese Freisetzung von Energie macht aus Akkretionsscheiben eindrucksvolle Kraftwerke. Dieses Phänomen hat die Astronomen überhaupt erst auf Schwarze Löcher aufmerksam gemacht. Denn diese merk-

ä ä ü ö öü üö ö äü

Scheiben und Jets in allen Größen

Überall im Universum sind die Astronomen auf Scheiben gestoßen – um junge Sterne in Nebeln unseres eigenen Milchstraßensystems und in Galaxienzentren, die Millionen Lichtjahre entfernt sind. Viele dieser Scheiben senden lange Teilchenstrahlen (Jets) aus. Wie es dazu kommt, l sst sich noch nicht berzeugend erkl ren.

M. J. MCCAUGHREAN / MPIA; C. R. O´DELL / RICE UNIVERSITY; NASA / ESA

C. BURROWS, J. MORSE / STSCI / NASA; J. HESTER / ARIZONA STATE UNIVERSITY

M. REGAN ET AL. / STSCI / JPL / CALTECH / NASA

STSCI / NASA

Protoplanetare Scheiben Im Orionnebel, etwa 1500 Lichtjahre von der Erde entfernt, ist ein junger, nur eine Million Jahre alter Stern von einer protoplanetaren Scheibe umgeben. Sie besteht zu 99 Prozent aus Gas und zu einem Prozent aus Staub. Mit rund 40 Milliarden Kilometern ist sie dreimal so groß wie unser Sonnensystem. Im Lauf ihrer Entwicklung k nnte sich aus dieser Scheibe ein Planetensystem wie unser eigenes bilden.

Jet eines entstehenden Sterns HH-30, ein sehr junger, 450 Lichtjahre entfernter Stern, ist ebenfalls in eine protoplanetare Scheibe eingebettet (auf deren Kante wir blicken). Zwei Jets (rot) str men mit etwa 960 000 Kilometer pro Stunde in entgegengesetzten Richtungen aus dem Scheibenzentrum heraus. M glicherweise wird das Gas durch das Magnetfeld des Sterns geb ndelt.

Spiralgalaxien Die Spiralgalaxie NGC 7331, etwa f nfzig Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, ist wie unser eigenes Milchstraßensystem scheibenf rmig abgeplattet. Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop, das im infraroten Wellenl ngenbereich misst, weisen auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie hin. Jet einer aktiven Galaxie Der aktive Kern von M 87, einer etwa f nfzig Millionen Lichtjahre entfernten elliptischen Riesengalaxie, schleudert einen 6500 Lichtjahre langen Jet ultraschneller Elektronen aus. Die Energie stammt offenbar von einer Akkretionsscheibe, die sehr schnell um ein extrem massereiches Schwarzes Loch wirbelt.

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ä ö ö ö ö ßö

ASTROPHYSIK

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Quasare sind extrem leuchtkräftige Objekte, von denen die Astronomen vermuten, dass es sich bei ihren Energiequellen um strahlende Akkretionsscheiben um extrem massereiche Schwarze Löcher im Zentrum junger Galaxien handelt. Berechnet man die gesamte Energie, die im Verlauf der Zeit von allen Quasaren in einem bestimmten Volumen des Raums abgestrahlt wurde, so erhält man etwa zehn Prozent der Masse aller extrem massereichen Schwarzen Löcher, die man heute in dem entsprechenden Volumen beobachtet, multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit.

Spiralbewegung und Strahlung

Materie in den inneren Bereichen einer Akkretionsscheibe l uft schneller um deren Zentrum als weiter außen str mendes Material (unten links). Dadurch gleiten radial benachbarte Materiebereiche aneinander vorbei. Ist die Str mung turbulent, stoßen einzelne Gasklumpen heftig zusammen (ganz unten). Dadurch wird Drehimpuls nach außen transportiert und das Gleichgewicht zwischen Fliehkraft und Schwerkraft gest rt, sodass ein Teil der Materie auf einer Spiralbahn weiter nach innen sinkt. Da sich die Materie durch die Zusammenst e stark aufheizt, strahlt die Scheibe große Energiemengen im sichtbaren, ultravioletten und R ntgenbereich ab.

Rotationsgeschwindigkeit

Drehimpuls

ä

Massenstrom

Durch die Zusammenstöße bildet sich eine eng gewickelte Spirale aus Gas. Drehimpuls wandert nach außen, w hrend das Gas in Richtung des zentralen Sterns oder Schwarzen Lochs wirbelt.

innerer Klumpen

neue Bahn des inneren Klumpens Strahlung

äußerer Klumpen

Zwei Gasklumpen mit geringfügig verschiedenen Bahnen stoßen zusammen, weil sich der innere Klumpen etwas schneller bewegt als der äußere.

Durch die Kollision werden Energie und Drehimpuls von dem inneren auf den äußeren Klumpen übertragen. Das aufgeheizte Material leuchtet.

würdigen Himmelskörper können selbst kein Licht aussenden, aber ihre Akkretionsscheiben können. (Diese allgemeine Aussage vernachlässigt die theoretische Hawking-Strahlung. Diese Emission wäre jedoch nur für sehr kleine Schwarze Löcher überhaupt nachweisbar und konnte bislang nirgends im Universum beobachtet werden.) Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zufolge sollte die von einer Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch abgestrahlte Energie 48

Wegen des Energieverlusts fällt der innere Klumpen weiter nach innen und seine Geschwindigkeit nimmt zu. Der äußere Klumpen bewegt sich weiter nach außen und wird langsamer.

etwa zehn Prozent der Ruhemasse des Materials entsprechen (gemäß der berühmten Formel E = m × c2 mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert). Das ist eine unvorstellbar große Energiemenge, mehr als das Zehnfache der Energie, die durch thermonukleare Reaktionen in der Scheibenmaterie erzeugt werden könnte. Doch die Vorhersage stimmt tatsächlich mit dem überein, was die Beobachtungen der so genannten Quasare zeigen.

ALFRED T. KAMAJIAN

neue Bahn des äußeren Klumpens

Sind Turbulenzen der Schlüssel zum Verständnis? Was aber ist die wahre Natur der Reibung in den Akkretionsscheiben, die die Freisetzung dieser enormen Energiemengen auslöst? Eine Möglichkeit wäre, dass die Teilchen in der Scheibe miteinander kollidieren und dabei Energie und Drehimpuls austauschen. Diesen Mechanismus beobachten wir in den Saturnringen: Die Gesteinsbrocken und Staubkörnchen, aus denen die Ringe bestehen, stoßen zusammen, ihre Bewegungsenergie geht durch Aufheizung verloren und Drehimpuls wird nach außen transportiert. Gewöhnliche Flüssigkeiten verhalten sich ähnlich – tatsächlich lassen sich die Saturnringe als viskose Flüssigkeit beschreiben, in der die Moleküle die Rolle der kollidierenden Felsbrocken übernehmen. Die Zusammenstöße führen dazu, dass sich die Ringe nach außen auszubreiten suchen, doch die Monde des Saturns bilden eine Art Sammelbecken für den Drehimpuls und halten die Ringe zusammen. Leider kann dieser einfache Prozess die Aktivität vieler anderer Arten von Akkretionsscheiben nicht erklären. In den Scheiben in Doppelsternsystemen oder in den Zentren von Galaxien würden die Zusammenstöße der Teilchen einen um viele Größenordnungen zu geringen Masseneinstrom erzeugen. Das würde nicht für die brillante Leuchtkraft dieser Scheiben ausreichen. Eine andere Ursache könnten großräumige Spiralwellen – ähnlich galaktischen Spiralarmen – in den Scheiben sein, die den Einfall der Materie beschleunigen. So wie Schallwellen Energie durch die Luft transportieren, können Spiralwellen sowohl Energie als auch Drehimpuls nach außen transportieren und so die Akkretion der SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Materie nach innen erleichtern. Tatsächlich haben die Astronomen Hinweise auf Spiralwellen in den Akkretionsscheiben einiger Doppelsterne gefunden. Doch diese Wellen scheinen nicht groß genug zu sein, um den nötigen Materiefluss zu erzeugen, der zur Erklärung der beobachteten Strahlung nötig ist. Viele Astronomen glauben deshalb, dass Turbulenz der häufigste Mechanismus für Reibung in den Akkretionsscheiben ist. Turbulenz könnte den Einfall der Materie beschleunigen, weil sie zu gewaltigen, großräumigen Kollisionen führt. Wenn Wasser durch ein Rohr fließt, sorgt die Viskosität der Flüssigkeit dafür, dass die Fließgeschwindigkeit im Zentrum der Röhre am größten, am Rand der Röhre dagegen am kleinsten ist. Erhöht man die Geschwindigkeit des Wassers, so wächst auch das Geschwindigkeitsgefälle und diese Scherung bewirkt schließlich eine Destabilisierung der Strömung: Sie wird turbulent und chaotisch. Da Akkretionsscheiben ebenfalls Strömungen mit sehr starken Scherungen enthalten, vermuteten einige Wissenschaftler schon in den 1970er Jahren, dass es in ihnen heftige Turbulenzen geben müsse. Doch als die Forscher versuchten, diese Turbulenzen in Computersimulationen mit Hilfe der grundlegenden Gleichungen der Strömungsdynamik zu erzeugen, blieben sie erfolglos: Es gab keinerlei Anzeichen für die Entstehung von Turbulenzen in Akkretionsscheiben. Der Grund für dieses negative Ergebnis ist noch heute umstritten. Vielleicht waren die Computersimulationen fehlerhaft. Möglicherweise ist aber auch die simple Analogie mit der Flüssigkeitsströmung durch eine Röhre falsch, und rotierende Systeme wie die Akkretionsscheiben verhalten sich grundsätzlich anders. Einige Forscher haben in Laborexperimenten versucht, Turbulenzen in Strömungen nachzuweisen, die Akkretionsscheiben ähneln, doch auch die Ergebnisse dieser Versuche sind umstritten. Zwar konnte in einigen Fällen Turbulenz beobachtet werden, doch diese könnte auch durch Effekte verursacht werden, die es in echten Akkretionsscheiben nicht gibt. Trotzdem halten die Astrophysiker an ihrer Überzeugung fest, dass Akkretionsscheiben turbulent sind. Sie stützen sich dabei auf eine 1973 von den russischen Physikern Nikolai Shakura und Rashid Sunjajew eingeführte, grobe mathematische Näherung für die Turbulenz in SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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Scheiben. Auf diese Weise gelang es den Astrophysikern, den Gordischen Knoten zu durchschlagen und theoretische Modelle für Akkretionsscheiben zu entwickeln, die sich mit den Beobachtungsdaten der tatsächlichen Scheiben vergleichen ließen. Damit konnten die Forscher im Verlauf der Zeit einige Erfolge verbuchen. So durchlaufen beispielsweise die Akkretionsscheiben in Doppelsternsystemen gelegentlich große, vorübergehende Helligkeitsanstiege. (Zwerg-novae, Lichtausbrüche von Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge in Doppelsternsystemen, sind ein Beispiel für dieses Phänomen.) Es gelang den Wissenschaftlern überzeugend zu zeigen, dass diese Ausbrüche durch Instabilitäten in der Scheibe ausgelöst werden, die zu einem schnellen Materiefluss nach innen führen. Trotz dieser Erfolge hat der Ansatz von Shakura und Sunjajew aber letztlich nur unser Unwissen vertuscht. Die Unterschiede zwischen den Vorhersagen der Modelle und den Beobachtungsdaten könnten einfach dadurch zu Stande kommen, dass die von fast allen Forschern akzeptierten Annahmen über die Turbulenz in Scheiben falsch sind. Außerdem könnte die Turbulenz beobachtbare Folgen zeitigen, die über den Transport von Drehimpuls in der Scheibe hinausgeht – doch die Forscher können diese Folgen nicht voraussagen, solange sie die eigentliche Ursache nicht verstehen.

Eine astronomische Rennbahn Glücklicherweise gelang 1991 ein spektakulärer Durchbruch beim Turbulenzproblem. Steven Balbus und John Hawley von der Universität von Virginia untersuchten damals das Verhalten von elektrisch leitender und magnetisierter Materie in einer Akkretionsscheibe. Selbst eine schwache Magnetisierung, so fanden sie heraus, kann in einer solchen Scheibe Strömungsinstabilitäten auslösen. Daraus resultieren dann unweigerlich turbulente Strömungen, die Drehimpuls nach außen transportieren und gravitative Bindungsenergie freisetzen. Die Astrophysiker glauben nun, dass diese »Magnetorotationsinstabilität« (MRI) eine zentrale Rolle bei der Energieerzeugung in Akkretionsscheiben spielt. In einem elektrisch leitfähigen Medium müssen sich die magnetischen Feldlinien mit der Strömung der Materie mitbewegen. Zugleich aber üben die magnetischen Feldlinien eine Kraft auf die

ANZEIGE

ASTROPHYSIK

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Instabilität in der Scheibe Turbulenz in Akkretionsscheiben entsteht offenbar durch Magnetfelder. Die Feldlinien, die in geladenen Teilchen beginnen und enden, ziehen die Partikel wieder zusammen, falls diese auseinanderzudriften drohen. Aber falls das Magnetfeld nur schwach ist, kann es die Teilchen tatsächlich weiter auseinander treiben. Dieses Phänomen, die Magnetorotationsinstabilität, transportiert Masse nach innen und Drehimpuls nach außen. Ein Analogon sind zwei Teilchen, die durch eine schwache elastische Feder miteinander verbunden sind.

Teilchen wandert nach innen

schwache elastische Feder

Teilchen wandert nach außen

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Betrachten wir zwei Teilchen in einer Umlaufbahn um die Erde. Ein zufälliger Zusammenstoß treibt eines der Partikel etwas näher an die Erde heran (wodurch es schneller wird), das andere etwas nach außen (dabei wird es langsamer).

Feder zieht Teilchen zur ck

Feder zieht Teilchen nach vorne

Die elastische Feder versucht, die Partikel wieder zusammenzubringen. Die Spannung der Feder zieht das schnellere, innere Teilchen zurück und das langsamere, äußere nach vorne.

Teilchen f llt auf tiefere Bahn

Da das innere Teilchen Energie verliert, fällt es noch tiefer und wird schneller. Das äußere steigt auf eine höhere Umlaufbahn und wird langsamer. Diese Instabilität führt zu einer turbulenten Strömung.

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ALFRED T. KAMAJIAN

Teilchen steigt auf h here Bahn

Materie aus. Gummibändern gleich führen sie beispielsweise zu Spannungskräften, wenn sie verbogen oder gekrümmt werden. Um den Effekt der magnetischen Feldlinien zu verstehen, stellen wir uns einmal zwei Teilchen vor, die durch ein elastisches Band miteinander verbunden sind und die Erde umkreisen (Kasten links). Wenn sich nun die beiden Teilchen ein wenig voneinander fortbewegen – also eins etwas näher an die Erde heran, eins etwas weiter von ihr fort –, dann würden wir zunächst erwarten, dass die Spannung des Bandes die beiden Teilchen an ihren ursprünglichen Ort zurückzieht. Wenn die Spannung jedoch ausreichend schwach ist, kann genau das Gegenteil passieren: Sie treibt die Teilchen weiter auseinander. Wegen der Erhaltung des Drehimpulses muss das nach innen bewegte Teilchen schneller, das nach außen bewegte langsamer werden. Das gedehnte Band jedoch versucht, das schnellere Teilchen abzubremsen und das langsamere zu beschleunigen. Dadurch aber verliert das innere Teilchen ein wenig Bewegungsenergie und fällt weiter nach innen (wobei es paradoxerweise schneller wird), während das äußere Teilchen weiter nach außen fliegt (wo es noch langsamer wird). Das Band transportiert also letztlich Drehimpuls vom inneren zum äußeren Teilchen. Ganz ähnlich wirken die magnetischen Feldlinien in einer Akkretionsscheibe aus elektrisch geladenen Teilchen. Es ist leicht zu erkennen, wie diese Instabilität zu Turbulenz führt. Betrachten wir eine weitere Analogie: eine kreisförmige Rennbahn, auf der die Autos auf den inneren Bahnen schneller fahren als diejenigen auf den äußeren. Nehmen wir nun an, jemand habe die Autos auf unterschiedlichen Bahnen mit Ketten verbunden. Die Autos auf den inneren Bahnen würden Drehimpuls verlieren, da sie nach hinten gezogen würden, während die Autos auf den äußeren Bahnen nach vorne gezogen und so Drehimpuls gewinnen würden. Das Ergebnis: Chaos und Unfälle, ganz ähnlich der Turbulenz in einer Akkretionsscheibe. Die Entdeckung der MRI hat unser Verständnis der Akkretionsscheiben revolutioniert. Die Situation ähnelt jener am Anfang des 20. Jahrhunderts, als die Astronomen begriffen, dass die primäre Energiequelle der Sterne Kernfusion in ihrem Innern ist. Nun haben die Astro-

physiker den Mechanismus entdeckt, der noch größere Energiequellen antreibt, nämlich Quasare und aktive Galaxienkerne (von denen die Forscher ebenfalls glauben, dass sie durch den Einfall von Materie in extrem massereiche Schwarze Löcher angetrieben werden). Gegenwärtig versuchen die Forscher zu verstehen, wie die MRI-Turbulenz in unterschiedlichen physikalischen Situationen funktioniert. Sie hoffen so, die beobachteten Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten von Akkretionsscheiben erklären zu können. Einige Wissenschaftler untersuchen beispielsweise, ob und wie MRI-Turbulenz in protoplanetaren Scheiben auftritt. Solche Scheiben sind viel kühler als jene um Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher, da die Zentralmasse viel kleiner ist. Deshalb bestehen die Scheiben hauptsächlich aus elektrisch neutralem Staub und Gas statt aus ionisiertem Plasma. Es ist noch völlig unklar, ob Magnetfelder die Strömung solcher Materie beeinflussen können.

Oszillationen und Plasmaströme Meine eigene und auch andere Forschungsgruppen versuchen herauszufinden, wie die MRI in den heißen, undurchsichtigen Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher funktioniert. In diesen Scheiben können Turbulenzen leicht Überschallgeschwindigkeit erreichen und so zur Bildung von Stoßwellen aus geladenen Teilchen führen, ganz ähnlich wie Überschallflugzeuge einen Überschallknall erzeugen. Durch diese Bewegungen können Photonen eine hohe Energie erhalten, die es ihnen erlaubt, sich leichter durch die relativ transparenten Regionen zwischen den Stoßwellen zu bewegen. Deshalb erzeugt die MRI-Turbulenz charakteristische Strahlungsmuster, die dann für die Astronomen bei Schwarzen Löchern beobachtbar sein sollten. Unter der Voraussetzung, dass viele Akkretionsscheiben turbulente Strömungen enthalten, ist es kaum verwunderlich, dass die Beobachtungen eine hochgradige Variabilität ihrer Strahlung zeigen. Die Variationen sind zumeist zufällig und chaotisch, doch gelegentlich zeigt sich eine Ordnung in dem Chaos. Wieder und wieder tauchen rätselhafte und unerklärliche Muster in der Strahlung auf (Bild auf S. 51). Manchmal beobachten wir auch Oszillationen mit SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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ELIZA JEWETT, NACH: BELLONI ET AL., ASTRONOMY & ASTROPHYSICS (A&A), VOL. 355, 271-290, 2000

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Zeit in Sekunden

leidlich definierten Frequenzen. Der Rossi X-ray Timing Explorer, ein Satellit, der schnelle Veränderungen in der Röntgenhelligkeit eines Objekts messen kann, hat uns maßgeblich dabei geholfen, Oszillationen in Akkretionsscheiben um Neutronensterne und Schwarze Löcher mit Massen zwischen 4 und 15 Sonnenmassen zu untersuchen. Die Astrophysiker wissen nicht, was die Ursache dieser Variabilitätsmuster und Oszillationen ist. Eine aufregende Möglichkeit, vorgeschlagen von Robert Wagoner von der Stanford-Universität und anderen, ist, dass die Oszillationen diskrete Schwingungsmoden der Scheibe widerspiegeln – vergleichbar den harmonischen Schwingungen einer Geigensaite. Und wie die Töne dieser Saite etwas über deren Spannung und Masse verraten, können uns die beobachteten Frequenzen einer Akkretionsscheibe etwas über deren Struktur und die Raumzeit um einen Neutronenstern oder Schwarzen Lochs erzählen. Wenngleich ein Großteil der gravitativen Bindungsenergie des herabspiralenden Materials in der Akkretionsscheibe in Strahlung umgewandelt wird, treibt sie in manchen Fällen Teilchenwinde und Jets aus der Scheibe (Kasten auf S. 47). Die Astronomen versuchen herauszufinden, wie solche Materieausflüsse entstehen und wovon die Aufteilung der freigesetzten Energie in Strahlung und Bewegungsenergie abhängt. Vermutlich wirken für verschiedene Scheibenarten unterschiedliche Erzeugungsmechanismen für den Teilchenausstoß. In einigen Fällen kontrollieren die Strömungen die Akkretionsscheiben, weil sie nicht nur Masse und Energie hinausbefördern, sondern vielleicht auch beträchtliche Mengen an Drehimpuls. Ein möglicher Antriebsmechanismus für einige Arten von Ausflüssen ist der Strahlungsdruck der in der Akkretionsscheibe erzeugten Photonen. Auch wenn SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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diese Lichtquanten keine Ruhemasse haben, tragen sie doch einen Impuls. Wenn Photonen an Materie gestreut werden, dann tauschen sie deshalb Impuls mit den getroffenen Teilchen aus und üben dadurch eine Kraft auf sie aus. (Nach diesem Prinzip funktionieren Sonnensegel.) Von jungen, massereichen Sternen abgestrahlte ultraviolette Photonen erzeugen durch ihre Streuung an Atomen und Ionen in der Umgebung des Sterns starke Teilchenwinde. Ganz ähnlich könnten ultraviolette Photonen von Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge, aktive Galaxienkerne und Quasare Winde erzeugen.

Was ist die Ursache der Materieschleuder? Einige Systeme, zum Beispiel junge Sterne und bestimmte Klassen von aktiven Galaxienkernen, erzeugen sehr schnelle, schmale Ströme geladener Teilchen. Solche Plasmaströme oder Jets können bei jungen Sternen viele Lichtjahre lang sein, bei aktiven Galaxienkernen sogar viele Millionen Lichtjahre. Die enge Bündelung über diese Distanzen deutet darauf hin, dass Magnetfelder involviert sind. (Einen weiteren Hinweis auf deren Existenz lieferte den Astronomen die Polarisation von Radiowellen.) Wenn die Akkretionsscheibe selbst magnetisiert ist, dann werden durch ihre Rotation die Magnetfeldlinien zu Spiralen aufgewickelt. Die dadurch erzeugte Spannung in den verdrillten Feldlinien hilft dann dabei, den Materiestrom zu bündeln. In den 1980er Jahren schlugen Roger Blandford und David Payne vom California Institute of Technology vor, dass die Rotation der Scheibe auch dazu beitrage, Materie entlang der Feldlinien herauszuschleudern. Die Rotation, so meinten sie, könnte die Anfangsbeschleunigung für die Plasmaströme liefern. Leider ist es uns bis heute nicht gelungen, einen Zusammenhang zwischen

dem nach innen gerichteten Fluss in der Scheibe und seiner komplexen MRITurbulenz auf der einen Seite sowie der scheinbar wesentlich stärker geordneten Feldstruktur in den nach außen gerichteten Plasmaströmen auf der anderen Seite herzustellen. Doch vielleicht helfen uns die raschen Fortschritte, die wir bei der Untersuchung der Magnetfelder in Akkretionsscheiben machen, dabei, dieses Problem zu lösen. Seit Jahrzehnten versuchen nun schon Astrophysiker zu verstehen, wie Akkretionsscheiben funktionieren. Wir glauben heute, ein grundlegendes Verständnis dieser Systeme erlangt zu haben. Mit unserer Untersuchung der magnetischen Turbulenz in unterschiedlichen Umgebungen hoffen wir eines Tages, die bemerkenswerte Vielfalt dieser Materiewirbel zu verstehen. Auch unser Sonnensystem ist aus einer Akkretionsscheibe entstanden. Die Entschlüsselung der Geheimnisse dieser faszinierenden Objekte könnte also auch die Frage beantworten, woher wir kommen. Omer Blaes ist Physikprofessor an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara. Nach seiner Promotion im Jahr 1985 an der International School for Advanced Studies in Triest (Italien) forschte er am California Institute of Technology und dem Canadian Institute for Theoretical Astrophysics in Toronto. Zu den Interessen des Theoretikers gehören neben den Akkretionsscheiben kompakte Objekte wie Schwarze Löcher, Neutronensterne und Weiße Zwerge. Schwarze Löcher im Kosmos. Von M. Begelman und M. J. Rees. Spektrum Verlag, 2000 Accretion Processes in Star Formation. Von Lee Hartmann. Cambridge University Press, 2004 Accretion Power in Astrophysics. Von Juhan Frank, Andrew King und Derek Raine, Cambridge University Press, 2002 Weblinks zu diesem Thema finden Sie bei www. spektrum.de unter »Inhaltsverzeichnis«.

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A U T O R U N D L I T E R AT U R H I N W E I S E

Röntgenphotonen pro Sekunde

Röntgenstrahlung

Merkwürdige Muster wurden in der der Akkretionsscheibe um GRS 1915+105 beobachtet. Die Scheibe umgibt ein Schwarzes Loch in einem Doppelsternsystem, das 40 000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Bislang rätseln die Physiker noch über die Ursache dieser Oszillationen.

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ERDBEBEN

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Ein See als Seismograf Die Schweiz gilt nicht gerade als erdbebengefährdet. Doch wurde sie in der Vergangenheit von starken seismischen Erschütterungen heimgesucht. Das verraten Sedimente am Boden des Vierwaldstättersees.

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instags den 18 tag Septembris dess 1601ten jars erhuobe sich nach mittnacht den morgen gegen tag ein wenig vor 2 vhren ein starcker vnd fürwar erschrockenlicher erdbidem allhie by vns zuo Lucern, ... derglychen nitt allein sich niemands verdencken mögen, sonder ouch jn allten historien vnd chronicken nitt ze finden, das die statt Lucern derglychen überstanden habe ....« So beginnt der Augenzeugenbericht von Renward Cysat, Stadtschreiber in Luzern, der die katastrophalen Auswirkungen eines der stärksten bekannten Erdbeben in Mitteleuropa eingehend dokumentierte. Der Erdstoß verursachte beträchtliche Schäden in der Zentralschweiz und war noch in Teilen Frankreichs, Deutschlands und Italiens spürbar. Seismologen schätzen, dass er die Stärke 6,2 auf der Richterskala erreicht hätte, wenn er von modernen Instrumenten aufgezeichnet worden wäre. Damit nähme er den gleichen Rang ein wie viele starke Erdbeben, die sich in jüngerer Zeit bei Los Angeles und San Francisco ereignet haben. Die Kalifornier sind es natürlich gewöhnt, dass der Boden ab und zu wackelt. Doch wer kann sich schon ernsthaft vorstellen, dass Erdbeben die Schweiz bedrohen? Die Eidgenossen ergreifen vielerlei Vorkehrungen gegen

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Bergstürze und Hochwässer; mit größeren seismischen Erschütterungen rechnen sie hingegen kaum. Wenn man aber genügend weit zurück in den historischen Berichten blättert, stellt man fest, dass es in der Schweiz tatsächlich einige starke Erdstöße gab. Außer dem von 1601 bei Luzern ereignete sich 1356 ein verheerendes Beben bei Basel. Es war das stärkste jemals in Mitteleuropa beobachtete. Ein ähnliches Ereignis heute würde zahlreiche Tote und Verletzte fordern sowie großräumig erhebliche Zerstörungen anrichten. Um zu entscheiden, wie viel Zeit und Geld in Vorsorgemaßnahmen gegen Erdbeben fließen sollten, muss man jedoch wissen, wie groß die Gefahr wirklich ist. Deshalb arbeiten wir daran, die seismischen Risiken für die Schweiz besser abzuschätzen. Zunächst einmal gilt es dabei herauszufinden, in welchen Abständen starke seismische Erschütterungen im Mittel auftreten. Noch bis vor Kurzem basierte der Schweizer Katalog vergangener Erdbeben ausschließlich auf seismografischen Messungen und historischen Dokumenten. Der erste Seismograf in der Eidgenossenschaft wurde 1911 installiert, und die schriftlichen Aufzeichnungen decken nur das letzte Jahrtausend ab. Anhand dieser beiden Informationsquellen, so wertvoll sie sind, lässt sich daher nicht erkennen, ob irgendwo starke Erdstöße im Abstand von, sagen wir, einigen tausend Jahren auftreten. Solche langen Intervalle zwischen großen Beben sind

Aus urheberrechtlichen Gründen können wir Ihnen die Bilder leider nicht online zeigen.

LUFTBILD SCHWEIZ

Von Michael Schnellmann, Flavio S. Anselmetti, Domenico Giardini, Judith A. McKenzie und Steven N. Ward

Im Bergland um den Vierwaldstättersee sind Lawinen, Hangrutschungen und Bergstürze bekannte Naturgefahren. Gelegentlich haben aber auch starke Erdbeben diese Region heimgesucht. Eines fand 1601 statt und verursachte große Schäden in Luzern (im Vordergrund) und der gesamten Zentralschweiz. Die Ablagerungen des Sees erwiesen sich nun als natürliches Archiv, in dem vier weitere starke Beben verzeichnet sind, die in den vergangenen 15 000 Jahre stattfanden.

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Aus urheberrechtlic nicht online zeigen.

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ERDBEBEN

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aber typisch für Regionen wie die Schweiz, die weitab von den Rändern tektonischer Platten liegen, wo sich ein Großteil der seismischen Aktivität abspielt. Um das Risiko starker Erdbeben in solchen Gebieten zu ermitteln, muss man möglichst weit in die Vergangenheit zurückschauen und den Katalog der bekannten Ereignisse bis ins Dunkel der Vorgeschichte ausdehnen. Zwar ist von damals natürlich kein schriftlicher Erdbebenbericht überliefert, doch die Erschütterungen haben in der Natur selbst Spuren hinterlassen. Man muss die versteckten geologischen Archive nur aufspüren und richtig deuten, um Informationen über Erdstöße in ferner Vergangenheit zu gewinnen. Paläoseismologen haben sich auf diese Detektivarbeit spezialisiert. Um die charakteristischen Spuren zu entdecken, die mittlere bis starke seismische Erschütterungen an der Erdoberfläche oder unmittelbar darunter hinterlassen haben, ziehen sie regelmäßig Gräben quer durch aktive Störungen im Boden, an denen bei früheren Beben Verwerfungen stattgefunden haben. Dabei können sie feststellen, wie weit die benachbarten Schichten gegeneinander verschoben wurden und wann das geschah. In Gebieten, die weit von Plattengrenzen entfernt liegen, funktioniert die-

se Methode allerdings nicht sehr gut; denn dort sind Brüche an der Oberfläche selten und schwierig auszumachen. Hier sucht man besser nach Zeugnissen der Erschütterung statt nach dem ursächlichen Bruch. Zum Glück für die Paläoseismologen gibt es viele Sekundäreffekte, wenn die Erde bebt: Stalaktiten in Höhlen können abbrechen, frei stehende Felsblöcke umkippen, steile Hänge ins Rutschen geraten und sandige Böden wie eine Flüssigkeit fließen. Für manche dieser Vorkommnisse sind aber auch andere Ursachen denkbar. So kann ein Stalaktit unter seinem eigenen Gewicht abbrechen oder Starkregen einen Erdrutsch auslösen. Hauptaufgabe der Paläoseismologen ist es darum, die Zeichen richtig zu deuten und alternative Erklärungen auszuschließen. Sobald ein seismisches Ereignis dann als Ursache feststeht, ist der nächste Schritt, die von ihm hinterlassenen Strukturen zu datieren.

Archiv im Untergrund Geologen sind sich einig, dass die Ablagerungen am Boden stehender Gewässer eine Fundgrube für Informationen über Umweltbedingungen in der Vergangenheit sind. Glücklicherweise ist die Schweiz für ihre vielen malerischen Seen bekannt. Darin setzen sich kontinuierlich, Jahr für Jahr, Schwebstoffe und an-

dere Sedimente ab. Sie bilden ein vollständiges und oft äußerst detailliertes Archiv der Ereignisse seit der Entstehung des Gewässers. In den von uns untersuchten Bereichen des Vierwaldstättersees häuft sich etwas weniger als ein Millimeter Sediment pro Jahr an – und das seit etwa 15 000 Jahren, als sich gegen Ende der Eiszeit die Gletscher zurückzogen. Die Zusammensetzung des Materials spiegelt in hohem Maße die örtlichen Bedingungen zur Zeit der Ablagerung wider. Zum Beispiel setzen sich Pollen, die in den See geweht wurden, am schlammigen Boden ab und dokumentieren so Änderungen der Vegetation im Umland. Grobkörnige Schichten zeugen dagegen von Zeiten, als Hochwässer sandigen Gesteinsschutt heranschwemmten. Auch Erdbeben können bleibende Spuren am Grund von Seen – oder Ozeanen – hinterlassen; denn die Erschütterung des Bodens bewirkt oft, dass sich an Unterwasserhängen Sedimente lösen und lawinenartig abrutschen. Das berühmteste Beispiel ist wahrscheinlich das GrandBanks-Erdbeben aus dem Jahre 1929. Es hatte eine Stärke von 7,2 auf der Richterskala und verursachte eine gewaltige Rutschung am Meeresgrund vor Neufundland. Der plötzlich den Kontinentalhang hinabgleitende Sedimentstrom – eine gewaltige, breiige Schlammwalze – zerriss

Durchleuchtung des Seebodens Bestimmte Ablagerungen (farbige Flächen) in diesen reflexionsseismischen Profilen (Positionen siehe Zeichnung rechts oben) zeugen von Rutschungen an Abhängen am Seeboden. Ihr Erscheinungsbild ähnelt dem Rauschen auf einem gestörten Fernsehschirm und hebt sich deutlich von dem der umgebenden, geschichteten Sedimente ab, die ein Muster aus streng

Nord

10 Meter

Süd

parallelen hellen und dunklen Streifen bilden. Nur ein einziges Erdbeben hat in beiden Profilen zugleich Spuren hinterlassen (violette Flächen), und ein Rutschkörper (grüne Fläche) stammt vermutlich nicht von einem Erdstoß. Die schwarze senkrechte Linie im Diagramm unten zeigt an, wo ein Bohrkern zur Datierung der weggebrochenen Sedimente gezogen wurde.

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Profil unten rechts

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BARBARA AULICINO / AMERICAN SCIENTIST

Laufzeit hin und zurück

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Kilometer

Mit reflexionsseismischen Messungen durchleuchteten die Autoren den Boden des Vierw tersees. Dabei sendete ein akustischer Wandler, der am Rumpf eines sich langsam bewegenden Forschungsboots befestigt war, in gen Schallsignale aus und registrierte die Echos von den diversen Schichten im Boden (ganz links). Daraus ließ sich ein Abbild der inneren Struktur der Sedimente am Seegrund gewinnen (links). Auf diese Weise legten die Autoren den Westteil des Sees ein dichtes Netz seismischer Profile mit einer on etwa 300 Kilometern (oben).

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nacheinander mehrere untermeerische Telefonkabel und unterbrach so Teile der transatlantischen Kommunikation. In Kenntnis solcher Ereignisse vermuteten wir, dass auch die Sedimente am Boden Schweizer Seen Spuren einstiger seismischer Erschütterungen bergen sollten. Für die Probe aufs Exempel wählten wir den Vierwaldstättersee, der in Cysats Bericht über das Erdbeben von 1601 eine so große Rolle spielt. Es kostete uns eine Menge Gelände- und Laborarbeit, die Tiefen dieses Gewässers im Detail zu ergründen. Doch als Ergebnis

Schilfrohre und anderes Material, das nicht nur im See schwamm, sondern auch fünfzig Schritte von der normalen Wasserlinie entfernt und bis zu zwei Hellebarden [drei bis vier Meter] hoch ans Gestade geworfen worden war ... Näher bei der Stadt beobachteten wir Leute, die ans Ufer gespülte Fische auflasen ... In Luzern waren die Schiffe vom Pier gerissen und ohne Menschenhand, Wind, Ruder oder Segel weit in den See hinausgetrieben worden ... Die Reuss [der Abfluss des Vierwaldstättersees] floss sechsmal in der Stunde vor und zurück.«

Ost

BEIDE: MICHAEL SCHNELLMANN

10 Meter

West

konnten wir schließlich am Seegrund die Spuren des Erdbebens von 1601 und vier bisher unbekannter prähistorischer Erdbeben dokumentieren. Bei der Ausarbeitung unseres Forschungsprogramms war Cysats Bericht von unschätzbarem Wert. Am Morgen nach dem Erdbeben ritt er zusammen mit weiteren Würdenträgern der Stadt am Seeufer entlang, um den Schaden zu begutachten. In bewegten Worten beschrieb er das allgemeinen Durcheinander (in hochdeutscher Übertragung): »Wir sahen Schiffe, Bauholz, Planken,

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Cysat notierte weiter, dass das Wasser aus dem Fluss, der die Stadt in zwei Hälften teilt, mehrfach fast vollständig verschwand, so »das man (allso ze reden) schier trochens fuosses von dem büchsenhuss zuo den mülinen herüber hette gan mögen, wie es dann ettliche junge lüt zur gedächtnuss söllent gethan haben«. Außerdem seien Erhebungen am Seeboden, die man bei niedrigem Wasserstand sehen und mit Stangen erreichen konnte, auseinander gerissen und in die Tiefe gezogen worden. Wiesenstücke befänden sich mehr als einen Steinwurf weit von ihrer ursprünglichen Position entfernt, und tiefe Spalten hätten sich im Boden aufgetan. Dieser Bericht bestärkte uns in der Annahme, dass die dramatischen Ereignisse bleibende Spuren auf dem Boden des Sees hinterlassen haben müssten. Wir waren dessen sogar ziemlich sicher, weil zu Beginn der 1980er Jahre Mitglieder des Limnogeologie-Labors an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich zwei große Rutschkörper am Boden des Sees entdeckt hatten – die Folge von Unterwasser-Schlammlawinen, als deren Ursache die Forscher das Erdbeben von 1601 vermuteten. Schon bald nachdem eine von uns (McKenzie) im Jahr 1996 das Limnogeologie-Labor übernommen hatte, verfolgten sie und ein anderer Autor (Anselmetti) diese Spur weiter. Dabei fanden sie im Vierwaldstättersee zahlreiche Ablagerungen von Schlammlawinen, viele davon tiefer und damit älter als die von 1601. Die tiefsten reichten offenbar bis weit in die vorgeschichtliche Zeit zurück. Wenn man also durch Erdbeben ausgelöste Rutschungen von solchen unterscheiden könnte, die andere Ursachen hatten, sollten diese alten Seesedimente die regionale Geschichte schwerer seismischer Erschütterungen in den vergangenen 15 000 Jahren erzählen. Zur selben Zeit suchte ein anderer von uns (Giardini), Direktor des Schweizerischen Erdbebendienstes (SED), nach genau einem solchen langfristigen Erdbebenkatalog. Da es zu seinen Aufgaben gehörte, das Erdbebenrisiko für das Alpenland einzuschätzen, wollte er wissen, wo, wann und wie oft dort starke seismische Erschütterungen stattgefunden hatten. Als Anselmetti ihm von den Funden im Vierwaldstättersee berichtete, erkannte Giardini darin sogleich mögliche Zeugen bislang unbekannter Erdbeben in 56

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Das Foto der aneinander gereihten ke eines Bohrkerns (rechts) und das zugehörige reflexionsseismische Der Bohrkern Profil stimmen gut also die Interpretation der seismischen Ergebnisse. Zudem lieferte er organisches Material die Datierung. Die Schichten gehören zu Rutschungen von 1601 n. Chr., 470 v. Chr. und 1290 v. Chr. Letztere wurde vermutlich nicht von einem Erdstoß ausgelöst.

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Rutschung von 1601 n. Chr.

Mine zurückgekehrt war. Anselmetti überzeugte ihn während einer Schifffahrt über den Vierwaldstättersee, mit ins Boot zu kommen und zu helfen, die Geheimnisse in den Tiefen des Sees zu lüften. Die Aussicht, die kommenden Jahre damit zu verbringen, auf dem malerischen Vierwaldstättersee zu schippern, anstatt Staub in einer weit entfernten Borax-Mine einzuatmen, machte Schnellmann die Entscheidung letztlich leicht. Rutschung von 470 v.Chr.

Rutschung von 1290 v.Chr.

der fernen Vergangenheit der Zentralschweiz. Damit begann eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Schweizerischen Erdbebendienst und dem Limnogeologie-Labor der ETH Zürich. Nachdem McKenzie, Anselmetti und Giardini Ziel und Strategie ihres Forschungsprojekts ausgearbeitet hatten, mussten sie nur noch einen Doktoranden finden, von dem sie hofften, dass er die Hauptarbeit verrichten würde. So wandten sie sich an einen weiteren von uns (Schnellmann), der gerade von einem Praktikum in einer türkischen Borax-

BARBARA AULICINO UND DAVID SCHNEIDER / AMERICAN SCIENTIST

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Dichtes Netz seismischer Profile Im Juni 2001 überführten Schnellmann und Anselmetti also das Forschungsboot MS Tethys der ETH Zürich zum Vierwaldstättersee und begannen mit der reflexionsseismischen Untersuchung der Bodensedimente. Diese Methode ähnelt der in der Medizin angewandten Sonografie: Genau wie Ärzte per Ultraschall einen Blick in den menschlichen Körper werfen, können Geologen die innere Struktur der Sedimente am Grund des Sees sichtbar machen, indem sie Schallwellen von der Oberfläche hinabsenden und das schwache Echo aufzeichnen, das wenig später zurückkommt. In diesem Fall ist der akustische Wandler (der wie ein Lautsprecher und ein Mikrofon in einem funktioniert) am Bootsrumpf angebracht, von wo er ein Schallsignal ins Wasser sendet. Es wird vom Seeboden und von den unterschiedlichen Sedimentschichten im Untergrund jeweils partiell zurückgeworfen. Diese Echos enthalten folglich Informationen über die Struktur der Ablagerungen. Sie werden von demselben akustischen Wandler aufgefangen und an Bord des Forschungsboots gespeichert. Zurück im Labor lässt sich daraus dann ein quasidreidimensionales Bild von den Sedimenten am Boden ableiten. Während vieler Tage auf dem Schiff erfassten wir reflexionsseismische Daten über eine Gesamtstrecke von mehr als SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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300 Kilometern. Der Vierwaldstättersee besteht aus mehreren Becken. Mit einem Zickzackkurs legten wir ein dichtes Netz seismischer Profile über einige davon. Solche mit angrenzenden Flussdeltas ließen wir absichtlich aus, weil dort, wie wir wussten, wegen der hohen Geschiebefracht der Flüsse Rutschungen vorkommen, die nichts mit Erdbeben zu tun haben. Am Ende wurden wir für die Mühe reichlich belohnt: Bei der akribischen Sichtung unserer Aufnahmen entdeckten wir viele Belege für Bodenbewegungen unter Wasser – seien es Abrissnarben an Hängen, die anzeigten, wo große Materialmengen weggebrochen waren, oder lawinenkegelartige Ablagerungen am Fuß der Abhänge, wo sich die abgerutschten Schlammmassen angesammelt hatten. Solche Akkumulationen sind in den seismischen Profilen leicht erkennbar, weil normale, ungestörte Seesedimente eine klare horizontale Schichtung aufweisen, während die stark deformierten und zerscherten Rutschkörper als chaotische Bereiche erscheinen, ähnlich dem Rauschen auf einem Fernsehschirm, wenn man das Antennenkabel herauszieht. Da wir Dutzende eng benachbarter Profile zur Hand hatten, war es leicht, auffällige Schichten zu verfolgen und die Ausmaße der Schuttkegel von einzelnen Hangrutschungen über den von uns aufgenommenen Abschnitt des Gewässers hinweg zu ermitteln. Dabei erkannten wir, dass sich viele der von uns entdeckten Ablagerungen in genau demselben

Niveau befanden wie diejenigen, die das frühere Forscherteam der ETH Zürich schon gefunden und mit dem Erdbeben von 1601 in Verbindung gebracht hatte. Tatsächlich enthält der Horizont, der diesem Ereignis entspricht, mindestens dreizehn ausgedehnte Schuttkegel. Das damalige Beben löste demnach überall im See Schlammlawinen aus. Außerdem stellten wir fest, dass im Zentrum zweier deutlich voneinander getrennter Teilbecken direkt auf den Rutschkörpern jeweils eine bis zu zwei Meter dicke Schicht aus homogenem Schlamm lagert. Sie besteht zweifelsohne aus Material, das durch die Rutschungen und damit verbundenen Wasserbewegungen aufgewirbelt wurde und sich schließlich im tiefsten Teil der Becken absetzte.

Spuren prähistorischer Erdbeben Wir waren sicher, dass vorgeschichtliche Erdbeben gleicher oder größerer Stärke als das von 1601 ähnliche Ablagerungen hinterlassen haben müssten. Deshalb suchten wir die seismischen Profile gezielt danach ab. Schon bald entdeckten wir etwa drei Meter unter dem Seeboden einen Horizont, der insgesamt sechzehn Rutschkörper enthält. Auch diese sind in drei verschiedenen Subbecken von mächtigen, homogenen Schlammpaketen bedeckt. Allem Anschein nach hatten wir die Hinterlassenschaft eines starken prähistorischen Erdbebens vor uns. Zunächst blieben zwar leise Zweifel, ob es nicht vielleicht doch eine banalere Erklärung für all diese Rutschungen

gäbe. Dann aber machten wir eine Beobachtung, die uns zuversichtlich stimmte, dass ausschließlich ein Erdbeben als Auslöser in Frage kam: Überreste dieser alten Schlammrutschungen fanden sich nicht allein am Fuß der ufernahen Böschungen, sondern auch in der Nähe zweier Erhebungen im Wasser, von denen eine nur bis etwa 85 Meter unter dem Seespiegel reicht. Man kann sich zur Not vorstellen, dass gewöhnlichere Ereignisse wie hoher Wellengang im sturmgepeitschten See oder größere Überschwemmungen Rutschungen am Rand des Gewässers auslösen. Doch Hänge am Seegrund weitab vom Ufer und 85 Meter tief unter Wasser würden dadurch nicht instabil. Die weitere Analyse unserer seismischen Profile ergab rasch Hinweise auf drei weitere prähistorische Beben einer Stärke, die ausreichte, Mehrfachrutschungen auszulösen. Doch wie heftig waren diese Erdstöße wirklich? Das blieb schwierig zu beantworten. Zwar möchte man intuitiv annehmen, dass sich die Stärke eines Bebens daraus ablesen lässt, wie viel Sediment verlagert wurde. Dagegen spricht jedoch ein irritierender Befund: Der größte Rutschkörper, auf den wir bei unseren Untersuchungen stießen, muss trotz der etwa 17 Millionen Kubikmeter Schlamm, die er enthält, bei einem sehr schwachen Erdstoß entstanden sein – oder vielleicht eine völlig andere Ursache gehabt haben. Diese gewaltige Rutschung war nämlich ein singuläres Ereignis; nirgendwo im See fand sich im selben Niveau ein Gegenstück.

Rutschungen unter Wasser Beim historischen Erdbeben von 1601 (links) bildeten sich viele Rutschkörper, deren Mächtigkeit von weniger als fünf (gelb) bis hin zu mehr als zehn Metern (rot) reichte. In den tiefsten Abschnitten des Sees sind sie von einer dicken Schlammschicht bedeckt (Schraffur) – aufgewühltes Material, das sich absetzte, historisches Erdbeben (1601 n. Chr.)

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nachdem der See sich wieder beruhigt hatte. Eine ähnliche, aber ältere Serie von Sedimenten (rechts) zeugt von einem prähistorischen Beben, das gleichfalls Rutschkörper am Fuß diverser Unterwasserhänge hinterließ (Pfeile) – darunter einige an Erhebungen, die weit vom Ufer entfernt liegen. prähistorisches Erdbeben (470 v. Chr.)

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Simulation der Tsunamiwellen Für einen Abbruch am Seeufer (schraffierter Bereich) und den daraus resultierenden Rutschk rper (gelbe Umrisslinie), der beim Erdbeben 470 v.Chr. entstand, simulierten die Autoren im Computermodell die resultierende tsunamiartige Woge. Diese weist im Unterschied zu normalen, vom Wind aufgeworfenen Wellen die enorme Wellenl nge von fast einem Kilometer auf und ist sehr hoch: Eine Minute nach dem Abbrechen des Seeufers betr gt die Amplitude fast drei Meter (links). In dieser Zeit hat die Welle bereits ungef hr zwei Kilometer zur ckgelegt –

Obwohl sich die Intensität dieser Beben also nicht quantitativ bestimmen lässt, können wir davon ausgehen, dass sie recht heftig waren. Immerhin gab es in der Zentralschweiz im vergangenen Jahrhundert viele schwächere Erdstöße – darunter eine Hand voll der Stärke 5 oder mehr. Doch keiner verursachte Mehrfachrutschungen in unserem Untersuchungsgebiet. Unsere seismischen Profile spiegeln also mit ziemlicher Sicherheit starke Erdbeben wider. Aber wann fanden sie statt? Diese Frage erwies sich als leichter zu beantworten. Allerdings mussten wir dafür noch einmal auf den See hinaus. Zur Datierung der verschiedenen Rutschkörper galt es, Proben daraus zu entnehmen – keine einfache Sache bei Sedimenten, die mehrere Meter unter dem Boden eines etwa 150 Meter tiefen Gewässers begraben sind. Wir lösten die Aufgabe mit einem kleinen Ponton-Boot – eigentlich nur ein Floß – sowie einem speziellen Instrument namens Kullenberg-Kerngerät: in unserem Fall ein zwölf Meter langes Stahlrohr mit einem 300 Kilogramm schweren Bleigewicht am oberen Ende. Dieses unhandliche Gerät befestigten wir an einem Stahlkabel und senkten es mit einer kräftigen Winde langsam ab. Sobald sich der Bohrer mit seiner Spitze nur noch zehn Meter über dem Seeboden befand, gab ihn ein Auslösemechanismus frei, sodass er das letzte Stück frei fiel. Die ohnehin schon schwere Sonde drang, vom Bleigewicht zusätzlich getrieben, dann tief in die Sedimentschicht ein und füllte sich mit Schlamm. Eine Art Schnappverschluss am unteren und ein 58

was der H chstgeschwindigkeit auf Autobahnen in der Schweiz entspricht – und sich in zwei der Arme des Vierwaldst ttersees hinein ausgebreitet (Mitte). Drei Minuten nach dem simulierten Beginn beschr nkt sich der gr te Teil der Unruhe dann auf den Nordwestrand des Gew ssers (rechts).

In Wirklichkeit müssen die zahlreichen Rutschungen, die sich an verschiedenen Stellen im See ereigneten, mehrere Wellen dieses Typs ausgel st haben, die sich berlagerten – ein wahrhaft Furcht einfl ender Anblick.

Vakuum am oberen Ende des Kernrohrs verhinderten, dass das erbohrte Material wieder herausrutschte, während wir das Rohr schließlich mühsam hochhievten. Uns an unseren zahlreichen seismischen Profilen orientierend, zogen wir Proben aus verschiedenen Rutschkörpern sowie aus ungestörten Ablagerungen. Nach sieben Tagen harter und manchmal schmutziger Arbeit kehrten wir mit acht Sedimentbohrkernen aus zwei verschiedenen Subbecken – jeder acht bis zehn Meter lang – in unser Labor in Zürich zurück. Dort inspizierten wir die Beute.

Zeitreise in die Vergangenheit Das Öffnen der Rohre und Zerteilen der Kerne ist stets ein spannender Moment. Auch diesmal wurden wir nicht enttäuscht. Es war wie eine Zeitreise zurück in die Vergangenheit, auf die uns die Ablagerungen entführten. Sie offenbarten Klimaschwankungen und Veränderungen der örtlichen Vegetation, lieferten den greifbaren Beweis für alte Hochwässer – und natürlich für Erdbeben. Diese verrieten sich durch charakteristische Pakete aus chaotisch gefaltetem Material und darüber liegender Schicht homogenen Schlamms, die sich deutlich von den sauber horizontal geschichteten Ablagerungen anderswo im Bohrkern abhoben. Um das Alter der Rutschkörper zu ermitteln, entnahmen wir Blätter und kleine Holzstücke aus dem ungestörten Sediment direkt darüber – organisches Material, das sich mit Hilfe der Radiokarbonmethode datieren ließ. Weitere Zeitmarken lieferten zwei Schichten vulkanischer Asche, die wir in den Ablage-

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rungen fanden. Es gelang uns, sie mit prähistorischen Vulkanausbrüchen in der Eifel und im französischen Zentralmassiv in Verbindung zu bringen. Durch Kombination all dieser Daten konnten wir schließlich das Alter der Rutschkörper ziemlich genau eingrenzen. Demnach fanden die vier Erdbeben, bei denen sie entstanden, vor ungefähr 2470, 9820, 13 960 und 14 610 Jahren statt. Dadurch kam eine lange Historie starker Erdbeben in diesem Gebiet ans Licht. Doch eine wichtige Frage blieb offen: Warum schwappte bei dem Ereignis von 1601 der See gleichsam hin und her, wie Cysat das in seinem Bericht schildert? Können Schlammrutschungen der von uns beobachteten Größenordnung so viel Wasser verlagern, dass bis zu vier Meter hohe Wellen entstehen? Und geht von diesen eine ernsthafte Gefahr für die Ortschaften am Seeufer aus? Auf der Suche nach Antworten wandten sich Schnellmann und Anselmetti an einen weiteren von uns (Ward), den sie als Experten für die Simulation von Tsunamis kannten. Das sind verheerende, langwellige Wogen, die im Allgemeinen bei der plötzlichen Umlagerung großer Mengen Sediment am Grund eines Gewässers entstehen. Ihr Auftreten im Meer ist relativ gut erforscht. Über ähnliche Wasserbewegungen in Seen gibt es dagegen kaum Untersuchungen. Per Computersimulation suchten wir also herauszufinden, ob und wie von Erdbeben ausgelöste Massenbewegungen im Vierwaldstättersee gefährlich hohe Wellen erzeugen können. Für die Modellierung wählten wir eine der Unterwasser-

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fünf Minuten die Strömungsrichtung. Auf den ersten Blick scheint das dem Ergebnis der Simulation zu widersprechen, die für die virtuellen Tsunamis eine Periode von nur knapp einer Minute ergab.

Gigantische Wasserschaukel Wir vermuten jedoch, dass die im Takt von zehn Minuten auftretenden Oszillationen des Seespiegels erst mit einiger Verzögerung einsetzten, als das im See hin- und herschwappende Wasser in Resonanz geriet. Solche Schaukelbewegungen in großen Wasserkörpern heißen nach einem französichen Wort Seiches. Ihre Periode hängt von der Geometrie des Beckens ab. Wind und Luftdruckänderungen können ähnliche Oszillationen verursachen, allerdings mit niedrigeren Amplituden. Sie wurden im Vierwaldstättersee erstmals Ende des 19. Jahrhunderts untersucht und erfolgen dort im Zehn-Minuten-Takt; außerdem gibt es zwei längere Oszillationsperioden. Dass von Rutschungen ausgelöste Seiches die gleiche Schwingungsdauer aufweisen, erscheint plausibel. Obwohl unsere Untersuchung viel zum Verständnis des Ereignisses von 1601 beitrug und – was weitaus wichtiger ist – die prinzipielle Eignung von Seesedimenten als prähistorische Seismografen unter Beweis stellte, bleibt noch viel zu erkunden. So genügt ein See nicht, die Epizentren und Stärken einstiger Erdbeben mit dieser Methode abzuschätzen. Dazu bedarf es mehr als eines einzigen Paläoseismografen. Zum Glück gibt es in der Zentralschweiz ein ganzes Netz davon – in Gestalt der zahllosen Seen, die als unab-

Michael Schnellmann hat gerade seine Promotion in Geologie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) abgeschlossen. Flavio S. Anselmetti, sein Doktorvater, leitet dort das Limnogeologie-Labor, während Domenico Giardini Professor für Seismologie und Geodynamik sowie Direktor des Schweizerischen Erdbebendienstes ist. Judith A. McKenzie hat eine Professur für geologische Kreisläufe und Erdsystem-Modellierungen an der ETH inne. Steven N. Ward forscht an der Universität von Kalifornien in Santa Cruz über Themen aus theoretischer Seismologie und Geophysik. © American Scientist Magazine (www.newscientist.org) Prehistoric earthquake history revealed by lacustrine slump deposits. Von M. Schnellmann et al. in: Geology, Bd. 30, S. 1131 (2002) Landslide tsunami. Von S. N. Ward in: Journal of Geophysical Research, Bd. 106, S. 11201 (2001) Earthquake and seiche deposits in Lake Lucerne, Switzerland. Von C. W. Siegenthaler et al. in: Eclogae Geologicae Helvetiae, Bd. 80, S. 241 (1987) Weblinks zu diesem Thema finden Sie bei www. spektrum.de unter »Inhaltsverzeichnis«.

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A U T O R E N U N D L I T E R AT U R H I N W E I S E

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rutschungen vor 2470 Jahren; denn für sie ließen sich die Abrisskante, die Bahn des weggebrochenen Materials sowie die Geometrie des resultierenden Schuttkegels besonders gut kartieren – Informationen, die für die Rekonstruktion des Vorgangs nötig sind. Gemäß unseren reflexionsseismischen Daten hinterließ die Rutschung am Rand des Sees eine neun Meter tiefe Narbe, verlagerte so viel Sediment, wie in einen riesigen Würfel von hundert Meter Kantenlänge passt, und transportierte das Material bis zu 1,5 Kilometer weit (in Luftlinie gemessen). Mit diesen Vorgaben lieferte die Simulation tatsächlich mehr als drei Meter hohe Wogen, die schon nach einer Minute auf das gegenüberliegende Ufer trafen. Mit Wellenlängen von mehr als einem Kilometer unterschieden sie sich völlig von den normalen Oberflächenwellen, die der Wind hervorruft. Vielmehr ähnelten sie Wasserbergen, die sich im Zentrum der Subbecken auftürmten – genau wie die Augenzeugen des Erdbebens von 1601 das beobachtet und beschrieben hatten. Man stelle sich den aufgewühlten Zustand des Sees damals vor, als an verschiedenen Stellen an seinem Rand gleichzeitig große Sedimentpakete abrutschten und die resultierenden Tsunamiwellen sich überlagerten und aufschaukelten. Der Anblick der gewaltigen, hin- und herrollenden Wogen muss wahrlich Furcht einflößend gewesen sein. Laut Bericht von Cysat kehrte sich die Strömung am Abfluss des Sees mehrfach um: Sechsmal in einer Stunde soll die Reuss vor- und zurückgeflossen sein. Demnach wechselte das Wasser etwa alle

hängige »Aufnahmegeräte« fungieren. Da aber jeder auf Erschütterungen etwas anders reagiert, muss die Auswirkung von Erdstößen auf ein bestimmtes Gewässer jeweils anhand historischer Ereignisse geeicht werden. In Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Erdbebendienst haben sich Mitglieder der LimnogeologieGruppe der ETH Zürich jetzt vier kleinere Seen in der Umgebung des Vierwaldstättersees vorgenommen und suchen darin nach Spuren historischer und prähistorischer Beben. Vom Vergleich der Daten einschließlich der unsrigen erhoffen sie sich verlässliche Aufschlüsse über die Epizentren und Stärken dieser Erschütterungen. Renward Cysat hat sich bestimmt nicht träumen lassen, dass sein Bericht, vier Jahrhunderte nachdem die Tinte getrocknet war, die Grundlage einer seismologischen Untersuchung bilden würde, die nicht nur das von ihm geschilderte Ereignis näher beleuchtet, sondern auch ältere Erdbeben in der Zentralschweiz aufgedeckt hat. Andererseits wäre er vielleicht auch gar nicht so erstaunt darüber gewesen. Nach allem, was er von den Nachwirkungen des Erdbebens sah, mag er durchaus eine dunkle Ahnung gehabt haben, dass ein aufgewühlter See als ein Messgerät für die Stärke der Erschütterung dienen könnte – das beste, das es damals für diesen Zweck gab.

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Wenn Hirnsignale verrückt spielen Bei Schizophrenie entgleisen Kommunikationsnetzwerke des Gehirns. Die Hauptschuld daran könnte ein bisher vernachlässigter Signalstoff tragen. Von Daniel C. Javitt und Joseph T. Coyle

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as Leben des amerikanischen Mathematikers John F. Nash (geboren 1928) ist für Schizophrenie keineswegs typisch. Im Jahr 1994 erhielt er gemeinsam mit zwei Kollegen den Nobelpreis für Wirtschaftswissenschaften – für einen genialen Beitrag zur »Spieltheorie«, den er als junger Wissenschaftler leistete (siehe Spektrum der Wissenschaft, 12/1994, S. 25). Später litt Nash jahrzehntelang an schweren Wahnvorstellungen. Doch dann erholte er sich wieder. Der Film »A Beautiful Mind«, gedreht nach dem gleichnamigen Buch, machte Nash und sein Schicksal berühmt. Doch Wahnsinn paart sich eher selten mit Genialität. Viele Schizophrene weisen, auch schon vor Ausbruch der Krankheit, eine unterdurchschnittliche Intelligenz auf. Wenn die Psychose dann auftritt, meist im jungen Erwachsenenalter, bedeutet das oft weitere Intelligenzeinbußen. Quer durch alle Kulturen sucht Schizophrenie etwa ein Prozent der Bevölkerung heim. Die meisten Erkrankten bleiben fortan schwer beeinträchtigt, was

sich oft auch auf ihre soziale und materielle Lebenssituation auswirkt. Nur eine Minderheit vermag jemals den eigenen Unterhalt zu bestreiten. Auch gründet nicht einmal jeder zweite Betroffene eine Familie. Rund 15 Prozent der Patienten müssen längere Phasen in psychiatrischen Einrichtungen verbringen, weitere 15 Prozent werden wegen wiederholter kleinerer Delikte oder als Nichtsesshafte in Obhut genommen. Unterhalb der Armutsgrenze leben infolge der Erkrankung ungefähr 60 Prozent dieser Menschen. Von denen wird jeder Dritte schließlich obdachlos. Obwohl manche Schizophrenen im Wahn auch schwere Straftaten begehen, sind sie allgemein – bedingt durch ihre mangelhafte soziale Einbindung – häufiger Opfer von Verbrechen als Täter. Die Möglichkeiten, eine Schizophrenie medizinisch zu behandeln, sind trotz aller Fortschritte in vielen Fällen noch immer unbefriedigend. Nur bei rund 20 Prozent der Patienten beheben die in der Regel verordneten Neuroleptika (oder Antipsychotika) sämtliche Symptome – solange sie streng eingenommen werden. Viele Kranke setzen sie aber irgendwann ab – wegen der Nebenwir-

IN KÜRZE r Als ein Hauptmerkmal schizophrener Psychosen galten lange Fehlsteuerungen im Zusammenhang mit dem Gehirnbotenstoff Dopamin. Doch die darauf abzielenden Medikamente helfen nur einem Teil der Patienten. r Seit Neuerem halten Forscher den neuronalen Botenstoff Glutamat für vielleicht noch wesentlicher. Sie entwickeln bereits Wirkstoffe, die auf diesen Erkenntnissen basieren.

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In dem Film »A Beautiful Mind« stellte Russell Crowe den geisteskranken Mathematiker John Nash dar, der Formeln an Fensterscheiben schrieb.

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kungen, weil sie gern wieder »normal« wären oder weil die psychiatrische Betreuung nicht mehr weiterläuft. Weitere zwei Drittel der Patienten erleben durch Neuroleptika zwar eine Besserung, doch symptomfrei werden sie zeitlebens nicht. Bei den Übrigen helfen die Präparate fast gar nicht. Dass so oft keine für den Einzelnen wirklich geeigneten Medikamente existieren, hängt nicht zuletzt mit unserem immer noch mangelhaften wissenschaftlichen Verständnis der Hirnprozesse bei Schizophrenie zusammen. Die medikamentöse Behandlung macht sich zu Nutze, dass Nervenzellen miteinander über so genannte neuronale Botenstoffe oder Neurotransmitter kommunizieren. Mit solchen Signalsubstanzen stimulieren oder hemmen sie einander. Bei Schizophrenie sind manche Signalnetzwerke offensichtlich entgleist. Jahrzehntelang stand der Botenstoff Dopamin im Zentrum der Forschungen und medikamentösen Therapien. Auf ihn zielen die gängigen Neuroleptika. Doch in den letzten Jahren erkannten die Wissenschaftler, dass dieser Ansatz vielfach nicht weit genug greift. Insbesondere interessieren sie sich nun auch für den Botenstoff Glutamat. Dopamin hat lediglich in begrenzten Gehirnregionen große Bedeutung – während GlutaSPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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mat (genauer gesagt Glutaminsäure) praktisch überall entscheidenden Einfluss ausübt. Für ein umfassender wirkendes Behandlungskonzept müsste man die Ursachen von Schizophrenie in all ihren Fassetten verstehen. Mediziner unterscheiden drei Klassen von Symptomen: positive, negative und kognitive (also Denkleistungen betreffende). Zur Positivsymptomatik gehören motorische Unruhe, Wahnvorstellungen und Halluzinationen. Zum Beispiel glauben sich viele der Patienten bedroht oder hören Stimmen, die ihnen etwas befehlen. Die negativen und kognitiven Symptome wirken für die Umwelt zwar weniger spektakulär, behindern den Kranken aber vielfach stärker. Häufig gehört dazu ein Komplex an Ausfällen, den Mediziner »die vier ›As‹« nennen: »Autismus« – in dem Fall Verlust des Interesses an Mitmenschen und Umwelt; »Ambivalenz« – Willenlosigkeit bis hin zur Unfähigkeit, einfachste alltägliche Entscheidungen zu treffen; »Affektverflachung« – Unfähigkeit zu stärkeren Gefühlen, was sich auch in unbeteiligter, starrer Mimik äußert; und, als ein kognitives Defizit, »Assoziationsflucht« – eine wirre Reihung von Gedanken und Sprachfetzen. Hinzu kommen unter anderem oft mangelnde Spontaneität, eine verarmte Sprache, verminderte soziale Kontaktaufnahme und

verlangsamte Bewegungen. Typischerweise können Kranke sich auch schwer auf etwas konzentrieren und nicht abstrahieren. Besonders die Apathie und Teilnahmslosigkeit bedingen oft familiäre Probleme, wenn Angehörige das als Faulheit und Trägheit deuten.

Zufallsentdeckung vor 50 Jahren In Fragebogentests, die eigentlich entworfen wurden, um Gehirnläsionen einzugrenzen, zeigen schizophrene Patienten das Muster einer umfangreichen Störung. Praktisch alle Hirnfunktionen, von der elementaren Wahrnehmung bis zu hochintegriertem Denken, sind bei ihnen mehr oder weniger beeinträchtigt. Viele Kranke können Neues schwer vorübergehend oder länger behalten. Auch werden sie mit komplizierten Situationen nicht fertig. Selbst gewöhnliche Aufgaben des Alltags überfordern sie schon. Sie können beispielsweise nicht erklären, wozu Freunde da sind oder was zu tun wäre, wenn im ganzen Haus das Licht ausfällt. Vor allem wegen solcher Einschränkungen vermögen viele Betroffene nicht selbstständig zu leben. Die Schizophrenie beraubt den Kranken seiner Persönlichkeit, seiner sozialen Kompetenz und seines gesunden Menschenverstands – alles dessen, was ein gelingendes, in die Gemeinschaft integriertes Leben ausmacht.

Dass Fehlsteuerungen im Zusammenhang mit dem Hirnbotenstoff Dopamin in der Erklärung von Schizophrenie einen hohen Stellenwert bekamen, hing mit einer eher zufälligen Entdeckung vor rund fünfzig Jahren zusammen. Damals bemerkten Mediziner, dass Wirkstoffe aus der Substanzklasse der Phenothiazine die Positivsymptomatik solcher Psychosen zu unterdrücken vermögen. Die betreffenden Stoffe sollten eigentlich gegen Allergien helfen, zeigten aber zugleich antipsychotische Wirkung. Daraus entstanden die klassischen Neuroleptika. Studien erwiesen dann, dass diese Wirkstoffe D2-Rezeptoren blockieren, bestimmte Oberflächensensoren an Neuronen für Dopamin, die Dopaminsignale ins Zellinnere übermitteln. Außerdem entdeckte die Arbeitsgruppe des schwedischen Forschers Arvid Carlsson, einem der Medizin-Nobelpreisträger von 1990, dass Amphetamine die Dopaminfreisetzung im Gehirn anregen. Das schien zu erklären, wieso solche Stimulantien bei Missbrauch Halluzinationen und Sinnestäuschungen verursachen, die durchaus an Schizophreniesymptome erinnern. Beides begründete die »Dopamintheorie«, wonach die meisten Erscheinungen bei einer schizophrenen Psychose auf zu viel Dopamin beruhen. Sie geht davon aus, dass der Botenstoff in einigen wichtigen Hirnregionen im Übermaß

Medikamente für neue molekulare Ziele

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Die Erkenntnisse über Abweichungen in Gehirnsignalnetzen bei Schizophrenie werden bereits in potentielle Medikamente umgesetzt. Zu den hier angeführten Substanzklassen laufen

schon Studien am Menschen – meist in frühen Phasen. (Glycin und D-Serin werden bisher anders genutzt. Ob sie sich gegen Schizophrenie eignen, bleibt zu prüfen.)

Angriffspunkt

angestrebte Wirkung

Beispiele

NMDA-Glutamatrezeptoren

Stimulierung, um Defekten in der neuronalen Signalübertragung zu begegnen – was viele der Symptome bei Schizophrenie mit hervorzurufen scheint

Glycin (Medifoods); D-Serin (Glytech)

AMPA-Glutamatrezeptoren

Stimulierung (durch so genannte Ampakine), um Ged chtnisleistungen und kognitive F higkeiten zu verbessern

CX516 (Cortex Pharmaceuticals)

metabotrophe Glutamatrezeptoren

Regulierung der Glutamatfreisetzung; Wiederherstellung der Balance zwischen NMDA- und AMPARezeptoren

LY354740 (Eli Lilly)

Glycintransport

Hemmung des Abtransports von Glycin aus Synapsen (neuronalen Kontaktstellen); dadurch verst rkte Signalübertragung an NMDA-Rezeptoren

GlyT-1 (NPS Pharmaceuticals; Janssen Pharmaceutica)

Alpha-7-Nikotinrezeptor

Stimulation, dadurch würde auch die Aktivit t der NMDA-Rezeptoren gesteigert (bemerkenswerterweise rauchen auffallend viele Schizophrene stark)

DMXB-A (Zentrum für Gesundheitswissenschaften der Universit t von Colorado in Denver)

D1-Dopaminrezeptor

Stimulierung, um Dopaminmangel zu beheben; zun chst vor allem als Parkinsonmittel vorgesehen

ABT-431 (Abbott Laboratories)

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Zeigt man Gesunden solche Bilder nacheinander, erkennen sie das Dargestellte rasch. Schizophrene tun sich damit sehr schwer.

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ausgeschüttet wird. Das betreffe etwa das limbische System – das Emotionen und Affekte reguliert – sowie auch das Stirnhirn, den Sitz des abstrakten Denkens.

Lücken der Dopamintheorie Forschungen der letzten vierzig Jahre zeigten die Stärken, aber auch Schwächen dieses Konzepts. Eine Behandlung, die auf ihm fußt, hilft einem kleineren Teil der Patienten tatsächlich gut. Meist haben diese Kranken eine ausgeprägte Positivsymptomatik. Diejenigen, die daneben praktisch keine Negativsymptome zeigen – was eher selten auftritt –, können dank der Neuroleptika oft weit gehend normal leben, also auch ein normales Familienleben führen und erwerbstätig sein. Einbußen im kognitiven Bereich hat dieser Personenkreis in der Regel wenig. Doch der Mehrzahl der Patienten hilft eine Behandlung nach dem klassischen Dopaminkonzept wenig. Bei diesen Menschen beginnt die Krankheit schleichend, wobei Negativsymptome dominieren. Solche Erkrankten ziehen sich immer mehr vor Menschen zurück und leben oft jahrelang völlig für sich. Die kognitiven Funktionen sind erheblich betroffen. Eine erapie selbst mit den modernsten Medikamenten bringt, falls überhaupt, nur langsam Besserung.

Deswegen suchten Forscher die Dopamintheorie anzupassen. Einige vermuten, dass bei Schizophrenie ein Überangebot des Botenstoffs nur in manchen Hirnregionen herrscht, etwa im limbischen System, in anderen aber ein Mangel besteht – und zwar auch im Stirnhirn. Die Neuronen dort tragen überwiegend nicht D2-, sondern D1-Rezeptoren. Ideal würden nach diesem Modell darum Medikamente helfen, die gleichzeitig D2Rezeptoren hemmen und D1-Rezeptoren stimulieren. Noch gibt es keine. Die älteren Neuroleptika, etwa Haloperidol, erzeugten oft gravierende neurologische Nebenwirkungen, darunter Muskelsteifheit. Seit den späten 1980er Jahren gibt es Neuentwicklungen wie Clozapin, die Patienten weniger beeinträchtigen. Sie helfen zudem sowohl gegen hartnäckige positive wie negative Symptome. Clozapin ist ein so genanntes atypisches Neuroleptikum. Es hemmt Dopaminrezeptoren weniger stark als die klassischen Medikamente. Dafür beeinflusst es die Aktivität etlicher anderer Botenstoffe stärker. Nun kamen weitere Substanzen mit ähnlichen Eigenschaften auf, die auch breit eingesetzt werden. Leider können manche davon, wie sich inzwischen herausstellte, mitunter unerwartete schwere Nebenwirkungen auslösen, darunter Diabetes.

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Der Verdacht kam auf, dass bei einer Schizophrenie neben Dopamin weitere neuronale Botenstoffe aus dem Gleichgewicht geraten sind. Ohnehin kann die Dopamintheorie nicht erklären, wieso Neuroleptika bei manchen Patienten ausgesprochen gut anschlagen und bei anderen so gut wie gar nicht. Sie bietet auch keine Anhaltspunkte, weswegen sich durch die Medikamente hauptsächlich die Positivsymptome bessern. Vor allem aber fand sich bisher, in mehreren Jahrzehnten Forschung, kein »Schuldiger« auf molekularer Ebene – also kein defekter molekularer Mechanismus. Weder wirken für die Dopaminsynthese zuständige Enzyme maßgeblich verändert noch scheint irgendetwas mit den Rezeptoren für den Botenstoff nicht zu stimmen. Weiter half dagegen ein völlig anderer Befund: Ein früheres Betäubungsmittel, die Designerdroge Phencyclidin (PCP), auch bekannt als »Angel Dust« (Engelsstaub), ruft bei gesunden Personen – anders als Amphetamine – die ganze Palette besonders negativer und kognitiver Störungen der Schizophrenie hervor. Gleiches gilt für das Narkosemittel und Analgetikum Ketamin. In Tests geschieht das schon bei einzelnen und geringen Dosen.

»Künstliche« Schizophrenie Die Parallelen zur Schizophrenie fielen erstmals in den 1960er Jahren auf. Wenn Testpersonen unter PCP etwa Sprichwörter erklären sollten, hatten sie damit ähnliche Schwierigkeiten wie Schizophrene. Neuere Versuche mit Ketamin machten noch frappantere Parallelen deutlich: Der Stoff behindert bei gesunden Probanden abstraktes Denken, Lernen, geistige Anpassungsfähigkeit und Wendigkeit sowie das Kurzzeitgedächtnis. Auch bewegen sich die Teilnehmer träge und geben sich wortkarg. Unter beiden Drogen neigen Personen zum Abbruch der Kommunikation; manche verstummen völlig. Wenn sie sich äußern, so am Gesprächsgegenstand vorbei und nie abstrahierend. Halluzinationen erleben gesunde Testpersonen mit den Drogen selten, Schizophrene allerdings stärker als sonst. 65

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Nach all dem scheinen PCP und Ketamin irgendwelche Schlüsselmechanismen von Schizophrenie nachzuahmen. Und zwar dürfte hieran der Botenstoff Glutamat beteiligt sein. Denn beide Drogen stören die Signalübertragung durch diesen wichtigsten aktivierenden Neurotransmitter des menschlichen Gehirns. Genauer gesagt blockieren sie einen bestimmten Glutamatrezeptor, den NMDA-Rezeptor, der für Gehirnentwicklung, Lernen, Gedächtnis und die neuronale Informationsverarbeitung allgemein entscheidend ist. Dieser Rezeptor ist auch zur Regulation der Dopaminfreigabe wichtig. Wird er blockiert, beobachtet man die gleichen veränderten Dopaminmuster wie bei Schizophrenie. Das bedeutet offenbar: Die negativen und kognitiven Symptome einer Schizophrenie sind direkt durch Störungen des NMDA-Rezeptors erklärbar, und auch auf die Positivsymptomatik hat er über das Dopaminsystem Einfluss. Im gesunden Gehirn verstärken NMDA-Rezeptoren selektiv neuronale Signale. Das muss man sich ähnlich vorstellen, wie wenn die Transistoren eines alten Radios schwache Funkwellen in starke Töne, sprich Lautsprechervibrationen, umsetzen. Der Effekt ermöglicht dem Gehirn, bestimmte Informationen zu Gunsten anderer zu ignorieren – also sich auf eine Auswahl zu konzentrieren. Bei Schizophrenen ist dieser Mechanismus offenbar beeinträchtigt. Gesunde Menschen reagieren zum Beispiel auf seltene Geräusche stärker als auf oft gehörte. Auch lauschen sie mehr auf Töne in ihrer Umgebung als auf solche, die sie 66

beim Sprechen selbst erzeugen. Beides ist bei Schizophrenen anders. Anscheinend arbeitet bei ihnen diese Filterung nicht richtig. Nur – warum haben Schizophrene eine verminderte NMDA-Rezeptoraktivität? Noch wissen wir das nicht. Zwar deutet sich an, dass Kranke tatsächlich weniger NMDA-Rezeptoren besitzen. Die entsprechenden Gene für diese Strukturen scheinen jedoch intakt zu sein. Sofern die Rezeptoren selbst in Ordnung und auch in hinreichender Menge vorhanden sind, könnte der Fehler darin liegen, dass etwas mit der Glutamatfreisetzung nicht stimmt oder dass sich irgendwelche Substanzen anreichern, die den Rezeptor behindern.

Neue Erklärung – neue Behandlung Vielleicht trifft sogar beides zu. Gehirne verstorbener Schizophreniekranker wiesen sowohl reduzierte Glutamatspiegel auf als auch erhöhte Konzentrationen zweier Substanzen, welche die Aktivität von NMDA-Rezeptoren beeinträchtigen: NAAG und Kynurensäure. Auch Homocystein blockiert NMDA-Rezeptoren. Der Blutspiegel dieser Verbindung ist bei Schizophrenie erhöht. Verlauf und Symptomatik der Erkrankung sprechen dafür, dass ihre Ursache tatsächlich in der Ansammlung solcher Substanzen im Gehirn zu suchen sein könnte. Gesichert ist das aber noch nicht. Möglicherweise stört ein ganz anderer Mechanismus die NMDA-Rezeptoraktivität. Immerhin wecken all diese Erkenntnisse wie auch vorläufige Patientenstudien Hoffnungen, dass es auch für bisher schwer behandelbare Patienten eine Me-

dikamententherapie geben wird. Clozapin etwa ist eines der derzeit effektivsten Schizophreniemedikamente der neuen Generation. In Tierstudien vermag diese Substanz die durch PCP hervorgerufenen Verhaltensstörungen zu beheben. Keines der klassischen Neuroleptika leistet das. Viel versprechende Ergebnisse lieferte auch die kurzfristige Gabe von Stimulantien für NMDA-Rezeptoren. Zumindest können nun langfristige klinische Studien mit Substanzen beginnen, welche die NMDA-Rezeptoren stimulieren. Sollten sie sich auch in Tests mit größeren Patientenzahlen bewähren, hätten Ärzte eine völlig neue Substanzklasse zur Verfügung, die erstmals eigens zur Behandlung der negativen und kognitiven Schizophreniesymptome entwickelt wurde. Bei Erkrankten, die zu ihren normalen Medikamenten die Aminosäuren Glycin und D-Serin erhielten, gingen die kognitiven und negativen Symptome um 30 bis 40 Prozent zurück. Auch die Positivsymptomatik nahm ab. Ähnliches geschah durch D-Cycloserin, ein Tuberkulosemittel, das auch mit dem NMDARezeptor interagiert. Das amerikanische Nationale Institut für geistige Gesundheit in Bethesda (Maryland) hat an vier erapiestudien mit großen Kliniken D-Cycloserin und Glycin organisiert, deren erste Resultate jetzt anstehen. Auch Tests mit D-Serin, die in anderen Ländern stattfinden, stimmen bisher optimistisch. Ebenfalls positiv verliefen Versuche, diese Wirkstoffe mit atypischen Neuroleptika der jüngsten Generation zu kombinieren. Damit würden alle drei Symptomklassen der Schizophrenie gleichzeitig beherrschbar. Vielleicht eignet sich von den derzeit getesteten Mitteln noch keines für die Praxis. Unter anderem können zu hohe Dosierungen erforderlich sein. Deswegen suchen wir und andere auch nach Alternativen, um die Funktion der NMDARezeptoren zu verbessern. Ein Weg wäre, den Abtransport von Glycin an den Hirnsynapsen durch entsprechende Hemmstoffe der Transportmoleküle zu verlangsamen. Erforscht werden zudem Stoffe, die eine andere Klasse von Glutamatrezeptoren aktivieren: die AMPA-Rezeptoren, die mit NMDA-Rezeptoren zusammenarbeiten. Des Weiteren wird überlegt, den Abbau von Glycin oder DSerin im Gehirn zu hemmen.

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Das schizophrene Gehirn Gestörte Kommunikationsnetze

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Bei Schizophrenie funktionieren viele Hirnregionen und neuronalen Signalsysteme nicht normal, darunter die in dem großen Hirnschema farblich hervorgehobenen Gebiete. Hörrinde mit sensorischem Sprachzentrum Hören und Verstehen von Sprache; bei Überaktivität akustische Halluzinationen, als w rden außen Stimmen ertönen

Basalganglien beteiligt an Bewegungskontrolle, Emotionen und Integration von Sinnesinformationen; bei Verfolgungswahn und Halluzinationen offenbar gestört

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Hinterhauptslappen verarbeitet Seheindr cke; starke visuelle Halluzinationen bei Schizophrenie selten; Störungen erschweren jedoch das Verstehen komplexer Bilder, das Erkennen von Bewegungen und die Deutung von Mimik

Stirnhirn (Frontallappen) maßgeblich f r hochintegrierte Denkleistungen; Störungen dieses Areals beeinträchtigen die Fähigkeit, Handlungen vorauszuplanen und Gedanken zu strukturieren

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limbisches System wichtig f r Gef hle; Fehlfunktionen tragen mutmaßlich zur Unrast vieler der Kranken bei

Hippocampus Lernen und Gedächtnisaufbau; diese Funktionen sind bei Schizophrenie beeinträchtigt

Verschiedene Neurotransmitter – gleicher Effekt

ALFRED T. KAMAJIAN

Einem Modell zufolge ruft Dopamin berschuss die von den Basalganglien verursachten Symptome hervor, Dopaminmangel hingegen (oft zugleich) jene Störungen, die Fehlfunktionen

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Im Stirnhirn verst rkt Glutamat die Wirkung von Dopamin, das dort an D1-Rezeptoren bindet und Neuronen aktiviert. Glutamatmangel hat somit einen ähnlichen Effekt wie zu wenig Dopamin.

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in der frontalen Hirnrinde betreffen. Beides könnte jedoch genauso zu wenig Glutamat bewirken.

In der brigen Hirnrinde kommt allein Glutamat, nicht aber Dopamin, vielerorts vor.

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In den Basalganglien – wo Dopamin an D2-Rezeptoren bindet und die Neuronen hemmt – wirkt Glutamat dem Dopamin entgegen. Glutamatmangel wirkt sich ähnlich aus wie ein Dopamin berschuss.

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SCHIZOPHRENIE

z An sich belanglose Dinge bergen für Schizophrene oft einen Sinn. Häufig horten sie zum Beispiel Zeitungsausschnitte oder Bilder, wie hier nachgestellt.

Als Wissenschaftler an Hirngewebe Verstorbener mittels Genchips die Aktivitäten zehntausender Gene bei Schizophrenen und Gesunden verglichen, stellten sie fest, dass viele für die neuronale Signalübertragung bedeutende Gene bei den Kranken weniger aktiv waren. Was das über die Entstehung einer Schizophrenie besagt oder wie sich der Befund ärztlich nutzen ließe, ist aber nicht klar.

Erbfaktoren nicht allein maßgeblich Dass Erbfaktoren recht großen Einfluss darauf haben, ob jemand an Schizophrenie erkrankt, ist seit Langem bekannt. Jedoch sind sie offenbar nicht allein maßgeblich. So entwickelt bei eineiigen Zwillingen der zweite nur in der Hälfte der Fälle ebenfalls eine schizophrene Psychose, wenn sein Zwillingsgeschwister daran leidet. Offenbar wirken Außenfaktoren beim Ausbruch der Krankheit mit – so wie sie vielleicht manchen davor schützen, obwohl er eine Veranlagung trägt. Als Risikofaktoren der Umwelt verdächtigen Forscher unter anderem vorgeburtliche Infektionen, Fehlernährung, Geburtskomplikationen und Hirnschäden. 68

In den letzten Jahren wurden mehrere Gene entdeckt, die wohl mit einer erhöhten Anfälligkeit für Schizophrenie in Zusammenhang stehen. Eines davon kodiert, besonders im Stirnhirn, für ein Enzym des Dopaminstoffwechsels. Zwei andere dieser Gene scheinen die Anzahl der NMDA-Rezeptoren im Gehirn zu beeinflussen. Ein Enzym, das D-Serin abbaut, kann in verschieden stark aktiven Varianten auftreten. Menschen mit der aktivsten Form tragen ein etwa fünffach erhöhtes Risiko für Schizophrenie. Varianten anderer Gene mögen für einzelne Störungen bei einer schizophrenen Psychose verantwortlich sein, für die Krankheit selbst jedoch nicht. Die teils widersprüchlichen Befunde zeigen, dass eine Reihe von Genen als Schuldige in Frage kommen, sowie auch, dass ein einzelnes verändertes Gen das Erkrankungsrisiko vermutlich nur gering erhöht. Das erklärt, wieso die Patienten auf die unterschiedlichen Neuroleptika so verschieden ansprechen. Im Durchschnitt ist das Gehirn von Schizophrenen kleiner als das von Gesunden. Nach neueren Befunden be-

schränken sich Defizite keineswegs nur auf Bereiche wie das Stirnhirn. Mit bildgebenden Verfahren lässt sich beobachten, dass bei Kranken viele Hirnregionen nicht ordnungsgemäß arbeiten. Das gilt etwa auch für Zentren, die Seh- oder Höreindrücke verwerten. Vielleicht ist die wichtigste neuere Erkenntnis: Für Schizophrenie ist nicht eine einzelne Hirnregion allein »verantwortlich«. Normales Verhalten erfordert die koordinierte Aktivität des ganzen Gehirns. Die Funktionsstörungen einer Schizophrenie sind Ausdruck dessen, dass irgendwelche subtilen Interaktionen innerhalb und zwischen Hirnregionen zusammenbrechen. Viele Forscher nehmen heute an, dass eine schizophrene Psychose zahlreiche Ursachen haben kann. Möglicherweise handelt es sich sogar um ein Spektrum verschiedener Erkrankungen, aber mit ähnlichen und teilweise überlappenden Symptomen. Ein besseres Verständnis der neurobiologischen Zusammenhänge sollte dazu beitragen, dem einzelnen Kranken eine auf sein Gehirn abgeerapie zu bieten.

ó te m stim Daniel C. Javitt (oben) und Joseph T. Coyle forschen seit vielen Jahren an Schizophrenie. Javitt hat eine leitende Position am Nathan-Kline-Institut für psychiatrische Forschung in Orangeburg (US-Bundesstaat New York) und ist Professor für Psychiatrie an der New-YorkUniversität. Coyle hat die EbenS.-Draper-Professur an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) inne.

Zwischen Wahn und Wirklichkeit. Von Franz X. Vollenweider et al. in: Gehirn&Geist, Heft 4, 2002, S. 36 Das Rätsel Schizophrenie. Von H. Häfner. C. H. Beck, München 2000 The emerging role of glutamate in the pathophysiology and treatment of schizophrenia. Von D. C. Goff und J. T. Coyle in: American Journal of Psychiatry, Bd. 158, Heft 9, S. 1367, Sept. 2001 Weblinks zu diesem Thema finden Sie bei www. spektrum.de unter »Inhaltsverzeichnis«.

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A U T O R E N U N D L I T E R AT U R H I N W E I S E

COOP PHOTO ART COLLECTIVE

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IN VENT GMBH

Der Teufel steckt im Detail Wenn Metall durch Faserverbunde ersetzt werden soll, sind Knowhow und Gespür gefragt.

Von Tim Schröder

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er Flugzeuge baut, spart an jedem Kilogramm Gewicht, denn das kostet Treibstoff. Schon seit längerer Zeit setzen Luft- und Raumfahrtunternehmen deshalb auf Faserverbundwerkstoffe. Die Bauteile daraus bestehen aus einem feinen Fasergewebe, das mit Kunstharz gefüllt und anschließend unter Druck und Hitze zu einem sehr leichten und stabilen Werkstück ausgehärtet wird. Das Material hat aber seine eigenen Gesetze, ein Werkstoffwechsel erfordert Expertenwissen. Die Braunschweiger Firma Invent GmbH, ein Spin-off des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), übernimmt die Entwicklung der Prototypen. Soll Aluminium oder Stahl durch den leichteren Kunststoff ersetzt werden, berechnen die Ingenieure meist das Design neu, denn der Faserverbundkunststoff nimmt Kräfte anders auf als Metall. Deshalb orientiert man die Fasern entsprechend der zu erwartenden Belastung in unterschiedliche Richtungen. Auch das Produktionsverfahren muss bei einem solchen Vorhaben genau bedacht werden. Um Bauteile mit hoher

Qualität zu fertigen, entwickelten die Braunschweiger in Kooperation mit dem DLR das so genannte SLI-Verfahren, den Single-Line-Injektion-Prozess. Das Fasermaterial wird dabei in eine Negativform des Bauteils gelegt und mit einer Polymerfolie abgedeckt. Anschließend saugt eine Vakuumpumpe die Luft aus dem Sandwich-Aufbau. Die Druckdifferenz presst die Fasern eng an die Form. Dann strömt dünnflüssiges Harz ein und füllt Hohlräume lückenlos aus. Anschließend erhitzt man das Faser-Harz-Paket unter Druck. Nach zwei bis fünf Stunden ist das Bauteil ausgehärtet. Da man bei der SLI-Methode für das Absaugen der Luft und die Injektion des Harzes dieselbe ventilgesteuerte Leitung nutzt, sprechen die Experten von Single-Line (eine Leitung). »Dank der Injektion im Vakuum verbleiben im Verbundwerkstoff keine Poren. Diese so genannten Lunker sind gern Ausgangspunkt für Risse«, lobt Entwicklungsleiter Carsten Schöppinger. Das Bauteil sei perfekt dicht und durch das geringe spezifische Gewicht der Fasern trotzdem sehr leicht. Für die Firma AVcraft in Oberpfaffenhofen entstand so

Was glänzt wie Metall, ist ein Bauteil aus Faserverbundkunststoff: Diese Verkleidung für ein Jettriebwerk wurde mit einem neuen Verfahren gefertigt, um den extremen Anforderungen der Luftfahrt gerecht zu werden.

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eine leichte Verkleidung für die Triebwerke des neuen DO-328-Jets. Schöppinger zählt weitere Vorteile des SLI-Verfahrens auf: »Bislang verwendet man häufig eine Methode, bei der die Form, in der das Bauteil entsteht, zwei Hälften benötigt, sozusagen Boden und Deckel. Dadurch ist die Produktion aufwändiger und teurer als unser Verfahren mit der Vakuumfolie.« Eine Alternative sind so genannte Prepregs. Das sind Fasergeflechte, die bereits mit Harz getränkt sind, was Zeit spart und die Weiterverarbeitung erleichtert. »Dieses Material ist aber teurer als unsere unbehandelten Fasern und muss außerdem in einer Kühlzelle gelagert werden, damit das Harz nicht schon vorher aushärtet.«

Ein Helm aus Flachs Pro Jahr stellt Invent rund dreißig Bauteile für AVcraft her. Das erscheint wenig, unterstreicht aber die Firmenphilosophie: Prototypen in Spitzenqualität – ihr Anteil an der Fertigung macht etwa 80 Prozent des Umsatzes aus. Die Braunschweiger berechneten und konstruierten auch Verkleidungsteile für den ICE-3 und den Transrapid TR08. Die restlichen 20 Prozent der Fertigungskapazität entfallen auf die Produktion von Kleinserien für Kunden, zum Beipiel Wellen für Textilmaschinen. Der Verbundwerkstoff erlaubt höhere Umdrehungsgeschwindigkeiten und somit eine schnellere Produktion, denn er ist steifer und zugleich leichter als der sonst übliche Stahl. In einer Kleinserie von 80 Stück pro Tag fertigt Invent auch mit einem herkömmlichen Pressverfahren einen Schutzhelm aus nachwachsenden Rohstoffen für die Braunschweiger Firma Schuberth Helme. Das Ziel – der Helm soll leichter sein als solche aus Glasfaserverbundwerkstoffen, aber Stöße besser abdämpfen, und zudem kostengünstig – ließ sich mit einer Mixtur aus gleichen Teilen Flachs und Baumwolle realisieren. Das größte Hindernis für eine weitere Verbreitung von Faserverbundwerkstoffen ist die aufwändige Fertigung. In der Automobilindustrie werden Bleche im Sekundentakt in Form gebracht, und das per Roboter. Das Einlegen von Fasern in die jeweiligen Formen erfolgt heute aber meist noch manuell. Alternativen zu entwickeln ist ebenfalls eines der Ziele der Invent GmbH. Tim Schröder ist Biologe in Oldenburg.

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WISSENSCHAFT IM UNTERNEHMEN

WISSENSCHAFT IM UNTERNEHMEN

UMWELTMEDIZIN

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Die Arsen-Katastrophe von Bangladesch

Von A. Mushtaque R. Chowdhury

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ühles, klares Wasser fließt aus dem Brunnen, wo Pinjra Begum das Trinkwasser für ihre Familie holte. Sie war eine schöne Braut, als sie mit 15 Jahren heiratete. Aber dann wurde ihre Haut fleckig. Später bekam sie abstoßende Geschwüre. Ihr Mann nahm sich eine andere Frau. Als Mutter dreier Kinder starb Pinjra Begum vor vier Jahren, mit 26, an Krebs. Die junge Frau hatte sich durch den neuen Brunnen vergiftet. Früher starben in Bangladesch unzählige Kinder an Durchfallerkrankungen. Große Teile der Bevölkerung versorgten sich damals mit unsauberem Wasser aus Teichen, Flüssen oder offenen Brunnen. Deswegen strengte die Regierung Bangladeschs zusammen mit internationalen Hilfsorganisationen unter Führung der Unicef in den 1970er und 1980er Jahren das Riesenprojekt an, möglichst jedem Haushalt im Land Zugang zu sauberem Trinkwasser zu verschaffen. Als ideale Lösung propagierten die Verantwortlichen einfache, stabile Rohr- oder Röhrenbrunnen – so genannte Rammbrunnen – mit Handpumpe, die sich aus oberflächennahen Grundwasserleitern speisen. Solche Brunnen waren nicht allzu teuer. Selbst viele arme Familien errichteten mit Hilfe günstiger Kredite von nichtstaatlichen Organisationen in ihrem Hof eine eigene Wasserpumpe. Bald lernten die Bangladescher diesen Fortschritt zu schätzen. Man war nicht mehr von besser situierten Nachbarn ab-

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hängig. Die Frauen mussten kein Wasser mehr weit heranschleppen. Vor allem aber hatten die Familien endlich keimfreies Trinkwasser. In den frühen 1990er Jahren verfügten 95 Prozent der Bevölkerung über vermeintlich gesundes, reines Wasser – für eines der ärmsten und dichtestbesiedelten Länder der Welt mit heute gut 140 Millionen Einwohnern ein besonderer Erfolg. So gut wie ausschließlich holten sich die Menschen das Wasser aus den neuen Rohrbrunnen, von denen im Land nun mehr als zehn Millionen standen. Dieses Wasser auf Arsen zu prüfen – oder genauer auf dessen hochgiftige wasserlösliche Verbindungen – hielt man damals nicht für nötig. Dabei deutete in Indien an der tropenmedizinischen Fakultät in Kalkutta der Hautarzt Kshitish C. Sahas schon 1983 charakteristische Hautschäden bei einigen seiner Patienten als Arsenvergiftungen. Er erkannte auch bereits den Zusammenhang mit Rohrbrunnen. Die betreffenden Personen lebten größtenteils im ostindischen Bundesstaat Westbengalen, der mit Bangladesch einige Grundwasserleiter (so genannte Aquifers) gemein hat. Manche von Sahas’ Patienten stammten sogar aus Bangladesch. In den folgenden Jahren wies der Umweltwissenschaftler Dipankar Chakraborti von der Jadavpur-Universität in Kalkutta nach, dass viele Grundwasservorkommen in Westbengalen stark mit Arsen verunreinigt sind. Dennoch erklärte der Britische Geologische Dienst, das Wasser in Bangladesch sei in Ordnung – bei im Jahr 1993 durchgeführten

DILIP MEHTA / CONTACT PRESS IMAGES

Weltweit drohen 50 Millionen Menschen Arsenvergiftungen durch Trinkwasser – die größte Massenvergiftung der Geschichte. Neue Lösungen für das akut schwer betroffene Bangladesch könnten sich auch andernorts bewähren.

Obwohl dieser Brunnen im Dorf Bilkada in Bangladesch arsenverseuchtes Wasser liefert, füllen die Frauen hier immer noch ihre Krüge. Zu den Opfern gehört der junge Bauer Abdul Rahman, dessen linker Fuß wegen bösartiger Wucherungen abgenommen werden musste. SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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umfangreichen Messungen hatte man Arsen allerdings nicht berücksichtigt. Zur selben Zeit noch deckte Abdul W. Khan vom Amt für Öffentliche Gesundheitstechnik des Landes auf, dass Rohrbrunnen in Nawabganj, einem Distrikt im Westen Bangladeschs, Wasser mit hohen Arsenkonzentrationen lieferten. Nach dem heutigen Kenntnisstand enthält das Wasser von etwa 30 Prozent der neuen Brunnen Bangladeschs mehr als fünfzig Mikrogramm (millionstel Gramm) Arsen pro Liter – fünf bis zehn Prozent sind sogar über sechsmal so stark verunreinigt. Werte von über fünfzig Mikrogramm (0,05 Milligramm) stuft die Regierung als gefährlich ein. (Diesen recht hohen Grenzwert lege ich in diesem Artikel zu Grunde, denn ein geringerer ist mit einfachen Verfahren vor Ort schwer zu bestimmen. Die Weltgesund-

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heitsorganisation WHO setzt als oberes Limit heute zehn Mikrogramm pro Liter an; ebenso die deutsche Trinkwasserverordnung.) Das bedeutet: Mindestens 35 Millionen Menschen in Bangladesch – rund ein Viertel der Bevölkerung – konsumieren mit dem Trinkwasser potenziell gesundheitsschädliche Mengen Arsen.

Weit schlimmer als Tschernobyl Wie sich neuerlich herausstellt, enthalten in diesem Land bereits auch Grundnahrungsmittel zu viel Arsen, denn in der Trockenzeit werden viele Felder aus den neuen Brunnen bewässert. In dem Reis etwa, den die Bangladescher zweibis dreimal täglich essen, fanden Wissenschaftler der Universität Aberdeen (Schottland) zwischen 50 und 180 Milligramm pro Tonne. Die Werte hängen sowohl von der Reissorte wie vom Stand-

ort der Erzeugung ab. Ebenso bedenklich sind manche Gemüsesorten, insbesondere eine Knollenfrucht mit sogar 100 Gramm (!) pro Tonne. Richtlinien hierfür gibt es bisher praktisch nicht. Mit dem Arsenproblem steht Bangladesch nicht allein da. Weltweit konsumieren viele Millionen Menschen stark arsenhaltiges Wasser, unter anderem in einigen Gebieten Osteuropas und Nordamerikas (siehe Karte im Kasten S. 77). Für einige der Regionen liegen schon statistische Studien über gesundheitliche Folgen vor. Schätzungen sprechen von fünfzig Millionen, die zukünftig schwer erkranken könnten. Die Arsenverseuchung ganzer Bevölkerungen durch Trinkwasser gilt als größte Massenvergiftung der Geschichte. Was hier geschieht, stellt selbst die Folgen der TschernobylKatastrophe weit in den Schatten.

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Schmerzhafte Wunden an den Handflächen machen die Arbeit die von ihrem Mann verstoßene Ambia Khatum und ihre Tochter zur Qual.

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Typischerweise dauert es rund zehn Jahre, bis sich eine chronische Vergiftung durch arsenverseuchtes Wasser äußerlich deutlich bemerkbar macht. Zunächst bilden sich dann schwarzgraue Flecken auf der Haut, und zwar hauptsächlich oben auf der Brust, auf dem Rücken und an den Armen. Auf den Handflächen und Fußsohlen erscheinen dick verhornte, taube Stellen. Hinzukommen können Bindehautentzündung und Bronchitis. Bei hohen Dosen leiden die Patienten schon vorher an Bauchschmerzen und Durchfall. Auf der zweiten Stufe einer Arsenvergiftung kommen zu den dunklen Hautflecken weißliche hinzu. Die Beine schwellen an. Die verhornten Stellen an Handflächen und Fußsohlen brechen auf und es entstehen blutende, schmerzhafte Wunden, die sich leicht entzünden – sehr charakteristisch für eine chronische Arsenvergiftung. Gehen und Arbeiten werden dadurch äußerst beschwerlich. In diesem Stadium beginnen auch neuronale Störungen in den Gliedern. Nieren und Leber machen jetzt zunehmend Probleme. Im dritten Stadium bilden sich außerdem Hautgeschwüre. Nun droht Nieren- oder Leberversagen. Bis Krebs auftritt, können seit Beginn der Arsenexposition zwanzig Jahre und mehr verstreichen.

So jung wie Pinjra Begum an dieser Vergiftung zu sterben ist eher untypisch. Möglicherweise hatte sie von Kindheit an besonders stark arsenbelastetes Wasser zu sich genommen. Eine von zehn Personen bekommt einer Studie aus Taiwan zufolge Hautkrebs, wenn ein Liter Trinkwasser 500 Mikrogramm Arsen enthält. Meistens erliegen die Opfer allerdings bösartigen Wucherungen innerer Organe, hauptsächlich Blasen-, Nieren-, Leber- oder Lungenkrebs.

Keine wirksame Therapie möglich Wie eine Untersuchung im Norden Chiles im Jahr 1998 ergab, hatten im untersuchten Gebiet offenbar fünf bis zehn Prozent aller mit über dreißig Jahren Verstorbenen an einem arseninduzierten inneren Krebs gelitten. Zumindest eine Zeit lang hatten die Betreffenden Wasser getrunken, das um 500 Mikrogramm pro Liter Arsen enthielt. Bei über 50 Mikrogramm Arsen pro Liter Trinkwasser würde gut jeder Hundertste an Krebs sterben, so eine Risikoberechnung des Nationalen Forschungsrats der USA von 1999. Für Bangladesch kennt niemand das wirkliche Ausmaß der Verseuchung der Bevölkerung. Zudem steht der Höhepunkt der Epidemie erst noch bevor. Der Grad der Vergiftungssymptome – auch zum Beispiel, ob neurologische und

IN KÜRZE r Die Grundwasserbrunnen, die Bangladesch seit Kurzem flächendeckend versorgen, galten zunächst als Segen. Doch viele davon liefern Wasser mit hohem Arsengehalt. r Vergiftungssymptome treten gewöhnlich erst nach Jahren auf. Aber schon heute kommen viele Krankheits- und sogar Todesfälle vor. Einem Viertel der Bevölkerung droht ein solches Siechtum. r Dringend gefordert sind Maßnahmen für eine andere Wasserversorgung. Die beste – allerdings teure – Lösung wären neue, tiefere Brunnen, die arsenfreie Grundwasserleiter anzapfen.

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Herz-Kreislauf-Komplikationen auftreten – hängt unter anderem von der Expositionsdauer und -dosis ab sowie vom Alter und Geschlecht. Außerdem gibt es Wechselwirkungen der Arsenverbindungen mit anderen Nahrungsbestandteilen. An Symptomen einer chronischen Arsenvergiftung leiden in Bangladesch heute anscheinend Zehntausende. Berichte sprechen bereits von einer »großen Zahl« von Todesfällen. Arsenbedingte Krebserkrankungen werden zwar schon verzeichnet, sie dürften sich aber erst in den kommenden Jahren häufen. Das Gesundheitssystem des Landes ist mit dem Problem völlig überfordert. Ohnehin existiert für eine chronische Arsenvergiftung keine wirkliche medizinische Therapie. Ärztliche Helfer können schmerzlindernde, desinfizierende Wundsalben anbieten. Nekrotische Gliedmaßen kann man amputieren. Da unser Organismus Arsen recht gut ausscheidet, hilft es nicht viel, zur Entgiftung chemische Verbindungen, so genannte Chelate, zu verabreichen, die es binden und dann mit ausschleusen – schon gar nicht, wenn der Patient gleich wieder kontaminiertes Wasser aufnimmt. Im Frühstadium zumindest können die Vergiftungssymptome anscheinend wieder abklingen, wenn sauberes Trinkwasser zur Verfügung gestellt wird. Gerade das ist aber oft schwierig. Zur Ursache von Bangladeschs Arsenkatastrophe, vor allem dazu, woher das Gift stammt und wie es ins Grundwasser gelangt, kursieren verschiedene Erklärungen. Laut einer Studie des Britischen Geologischen Dienstes hängt die Wasserqualität mit der geologischen Geschichte zusammen. Überwiegend befinden sich die gefährlichen Grundwasser im Süden und Südosten des Landes in zehn bis siebzig Meter Tiefe. Bangladesch erstreckt sich zum größten Teil über ein weites Flussdeltagebiet, durch das der Ganges und der Brahmaputra ziehen. Große Ströme haben in der Region in Jahrmillionen riesige Mengen Schlamm abgelagert. Vor etwa 18 000 Jahren, als der Meeresspiegel um hundert Meter fiel, gruben SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

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sich die Flüsse tief in die oft viele Kilometer dicken Sedimente ein. Später füllten sie diese Täler mit einem grauen Ton, den sie aus dem Himalaja mitführten. Anscheinend steckt darin das Arsen. Ältere braune Anschwemmungen, wie sie im Nordwesten des Landes oder in hügligen Gegenden vorkommen, sind offenbar weniger verseucht. Diese geologischen Verhältnisse müsste man bei der Wasserversorgung berücksichtigen, um des Problems Herr zu werden. Wieso das Arsen aus dem Ton ins Grundwasser übertritt, ist heftig umstritten. Vor allem geht die Auseinandersetzung darum, ob es sich um einen natürlichen geochemischen Prozess handelt, der ohne menschlichen Einfluss abläuft, oder ob der Mensch seinen Anteil dazu beigetragen hat, etwa durch intensive Landwirtschaft – vielleicht sogar Düngung und Pestizide – und insbesondere durch umfangreiche Wasserentnahme. Chakraborti nimmt an, dass die arsenhaltigen Schichten neuerdings Luft ausgesetzt sind, die dorthin vordringt, weil die Grundwasserspiegel wegen des

großen Wasserbedarfs sinken. Das Arsen, das in dem grauen Ton an Eisenpyrite gebunden vorliege, soll durch einen Oxidationsvorgang freikommen. Tatsächlich hat Chakraborti festgestellt, dass manche Brunnen, die vor zehn Jahren noch unbedenkliches Wasser enthielten, heute arsenverseucht sind. Dem Britischen Geologischen Dienst zufolge löst sich das Arsen hingegen durch einen Reduktionsprozess, der mit Beteiligung von organischem Material direkt im Wasser stattfindet. Nach dieser Vorstellung liegt das Arsen im Sediment an Eisenoxidhydroxid gebunden vor. Wie kompliziert der Hintergrund des Problems ist, zeigen auch aktuelle Studien.

Ausbildung der Frauen Um das Desaster in den Griff zu bekommen, gründete die Regierung von Bangladesch 1998 ein Projekt, für das die Weltbank einen 32,5-Millionen-US-Dollar-Kredit gewährte. Ein Großteil dieses Geldes wurde noch nicht in Anspruch genommen, denn bisher herrscht Unklarheit über geeignete Gegenmaßnahmen.

Das Komitee für landwirtschaftlichen Fortschritt (Brac), eine nichtstaatliche Organisation, dessen stellvertretender Direktor ich bin, arbeitet jedoch seit 1997 an einer Lösung. Vor Ort forschen wir in zwei Regionen: Sonargaon im Osten und Jhikargacha im Westen des Landes. Anfangs wollten die Dorfbewohner uns nicht einmal glauben, dass ihr schönes Wasser an den verbreiteten Vergiftungen schuld ist. Wir konnten dennoch etwa 160 Frauen, darunter auch Analphabetinnen, anlernen, mit einer Feldausrüstung den Arsengehalt von Brunnenwasser festzustellen. Wo das Wasser über 50 Mikrogramm Arsen pro Liter enthielt, sollten sie den Brunnen rot bemalen, wo der Wert darunter lag, grün. Mehr als 50 000 Rohrbrunnen prüften und markierten die Frauen auf diese Weise. Wie Kontrollmessungen ergaben, wurden 85 bis 90 Prozent der Wasserstellen korrekt bewertet. Es zeigte sich, dass in manchen Dörfern alle Brunnen arsenverseuchtes Wasser lieferten, in anderen kein einziger. Nicht selten jedoch

In vielen Weltregionen enthalten Grundwasserleiter bedenkliche Mengen an Arsenverbindungen (orange im Bild rechts). Wie in Bangladesch (unten) liegen sie meist in Deltas. In dem Fall haben vermutlich in jüngerer geologischer Zeit Ganges und Brahmaputra arsenhaltige Sedimente aus dem Himalaja dorthin verfrachtet. Durch welche Prozesse sich das Arsen im Wasser löst, ist allerdings noch umstritten. Wasserreservoire in älteren Schichten, die tiefer als 200 Meter liegen, sind nach Einschätzung der Wissenschaftler nicht kontaminiert (rechts unten).

Risikogebiete Mongolei Ungarn Rumänien

Taiwan Vietnam Thailand

Nepal Indien

Mexiko Bangladesch Chile Argentinien

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Mikrogramm pro Liter

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50–75 75–100 100–200 200–300 >300

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Herkunft des Arsens – die Schichtung im Delta von Bangladesch H he ber dem Meeresspiegel in Metern